DE4101749A1 - Fahrbare stahlrohr-fraesschneidemaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fahrbare Stahlrohr-Fräs­ schneidemaschine, die ein zu schneidendes Stahlrohr mit einem rotierenden Fräser schneidet.

Entsprechende Schneidemaschinen für Stahlrohr sind in den japanischen Patentveröffentlichungen 62-27 926 (1987) und 62-74 525 (1986) beschrieben.

Gemäß den Fig. 7 und 8 sind bei einer bisherigen derartigen Maschine mehrere Fräserköpfe oder -träger 2, die jeweils mit einem in Gegenlaufrichtung rotierenden Fräser 1 be­ stückt sind, mittels drehbarer Wellen oder Achsen 3 an einem Drehring gelagert.

Der Drehring vermag mittels Antriebs durch einen Motor 5 über Zahnräder 6 und 7, eine Schnecke 8, ein Schnecken­ rad 9 und ein Ring(zahn)rad 10 eine Dreh- oder Umlaufbe­ wegung um die Mittelachse eines zu schneidenden Rohrs 4 durchzuführen.

Der Fräserkopf 2 kann durch Pfeilbögen R₁ und R₂ be­ zeichnete Schwenk- oder Schwingbewegungen zum Konstant­ halten der Schnittiefe durchführen. Ein Wagen, auf den die Schneidemaschine aufgesetzt ist, bewegt sich synchron mit der Fertigungsstraßengeschwindigkeit. Wenn der Wagen bis zur Synchrongeschwindigkeit beschleunigt worden ist, wird das zu schneidende Rohr 4 mittels einer nicht darge­ stellten Spannvorrichtung eingespannt und dann in der oben angegebenen Arbeitsfolge aus einer Umlaufbewegung sowie Schwingbewegungen mittels der mehreren Fräser 1 gleichzeitig geschnitten.

Für die Steuerung des Schneidvorgangs werden der Außen­ durchmesser des (zu schneidenden) Rohrs 4, die Rohrwand­ dicke und eine maximale Schnittiefe im voraus in einen Rechner eingegeben. Durch gemeinsames Steuern von Umlauf­ stellung und -geschwindigkeit sowie Schwingstellung und -geschwindigkeit des (der) Fräser(s) 1 wird der Schneid­ vorgang durchgeführt, während die maximale Schnittiefe und ein Vorstand bzw. Eindringen (projection) des Fräsers 1 gegenüber der Rohrwanddicke stets konstantgehalten werden.

Bei der bisherigen Stahlrohr-Schneidemaschine finden so­ mit Dreh- bzw. Umlauf- und Schwingbewegungen statt. Bei der Berechnung der Lage eines geometrischen Orts (locus) des Fräsers wird dieser somit in Polarkoordinaten wieder­ gegeben, so daß auch im Fall eines (quadratischen) Vier­ kantrohrs einer einfachen Form die Berechnung und Steuerung für die Lage des geometrischen Orts kompliziert ist.

Da zudem die bisherige Schneidemaschine aufgrund ihrer Ausgestaltung die Schneid- oder Fräs-Gegenwirkkraft der Fräser 1 nur über die Wellen oder Achsen 3 aufnimmt, be­ sitzt sie eine ungenügende Steifheit bzw. Stabilität, und es kann dabei kaum eine große Trägheitsmasse gehandhabt werden. Da weiterhin der Schneidvorgang intermittierend erfolgt, unterliegt der Fräserkopf 2 großer Schwingung, und es kann keine große Spandicke eingestellt werden; zudem ist die Standzeit der Fräser-Zahn- oder -Schneid­ kante kurz.

Da ferner mehrere Fräserköpfe 2 mittels eines Drehrings (Ring(zahn)rad 10) synchron in Umlaufbewegung versetzt werden, ist es dabei unmöglich, unter den gleichen Be­ dingungen ein Rohr eines asymmetrischen Querschnitts zu schneiden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer fahr­ baren Stahlrohr-Frässchneidemaschine bzw. mit Fräser(n) arbeitenden Schneidemaschine, bei der unter Vermeidung der Mängel des Stands der Technik Berechnung und Steuerung eines geometrischen Orts (locus) eines Fräsers leicht und einfach durchführbar sind, Steifheit bzw. Stabilität der Maschine und Standzeit des Fräsers verbessert sind und außerdem auch ein Rohr eines asymmetrischen Querschnitts unter gleichen Betriebsbedingungen geschnitten werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist eine fahrbare Stahlrohr-Fräs­ schneidemaschine zum Schneiden eines Rohrs, während sich die Schneidemaschine synchron mit der Rohrfertigungsge­ schwindigkeit bewegt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß mehrere Fräserköpfe mit jeweils Führungseinrichtung, Zu­ stell- oder Vorschubeinrichtung und einem Fräser, der linear in Richtung zweier Achsen bewegbar ist, sowie eine in der Nähe der Fräser angeordnete Spannvorrichtung zum Einspannen und Fixieren des Rohrs auf einem fahrbaren Wagen angeordnet sind und daß eine Steuervorrichtung für die Drehantriebssteuerung eines Zustell- oder Vorschub-An­ triebsmotors für die Fräserköpfe auf der Grundlage von Eingabedaten für Schneidbedingungen, wie Form und Ab­ messungen des Rohrs und dgl., vorgesehen ist.

Wenn im Betrieb der oben umrissenen Schneidemaschine der fahrbare Wagen bis zum Erreichen der Rohrfertigungsge­ schwindigkeit beschleunigt worden ist, wird das zu schneidende Rohr mit Hilfe der Spannvorrichtung fixiert, wobei sich mehrere Fräserköpfe, die jeweils für zwei­ achsige bzw. biaxiale Zustellung längs einer X-Achse und einer Y-Achse o. dgl. gesteuert werden, unabhängig vonein­ ander bewegen. Infolgedessen kann selbst ein Rohr eines asymmetrischen Querschnitts mittels dieser Schneidemaschine geschnitten werden. Da zudem ein geometrischer Ort des Fräsers durch kartesische bzw. Orthogonalkoordinaten anstelle von Polarkoordinaten repräsentiert bzw. wieder­ gegeben wird, gestalten sich die Berechnung des geometrischen Orts und die Aufstellung eines Steuer­ programms für die Fräser einfach.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Er­ findung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer fahrbaren Stahlrohr- Frässchneidemaschine gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm für eine Steuervorrichtung bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines mit der Schneidemaschine nach Fig. 1 ausgeführten Schneidvorgangs an einem Rohr,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines an einem Rohr eines asymmetrischen Querschnitts ausge­ führten Schneidvorgangs,

Fig. 6 eine graphische Darstellung von Vergleichsdaten bezüglich der Abnützungsgrößen an Fräserzahn­ kanten (cutter blades), ermittelt durch Schneid­ versuche nach der erfindungsgemäßen Methode und der bisherigen Methode,

Fig. 7 eine teilweise weggeschnittene Seitenansicht eines wesentlichen Teils einer bisherigen fahr­ baren Rohrschneidemaschine und

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Rohr­ schneidevorgangs nach der bisherigen Methode.

Die Fig. 7 und 8 sind eingangs bereits erläutert worden.

Gemäß den Fig. 1 und 2 werden in einer erfindungsgemäßen fahrbaren Stahlrohr-Frässchneidemaschine ein erster Fräserkopf 14, der mit einem in Gleichlaufrichtung rotierenden ersten Fräser (milling cutter) 12 und einem ersten Fräser-Antriebsmotor 16a versehen ist und An­ triebszahnräder und dgl. enthält, und ein zweiter Fräser­ kopf 15, der ebenfalls mit einem zweiten Fräser 13 und einem zweiten Fräser-Antriebsmotor 16b versehen ist und Antriebszahnräder und dgl. enthält, von einer Schlitten­ einheit 17 getragen, die in zwei orthogonalen Richtungen bewegbar ist und als in einem Maschinenrahmen 11 ange­ ordnete Führungseinrichtung dient.

Der erste Fräserkopf 14 und der erste Fräser 12 werden über eine Zustell- oder Vorschubeinrichtung, z. B. Vor­ schubschraubspindel 22 o. dgl., durch einen ersten An­ triebsmotor 18 unabhängig angetrieben für Zustellung oder Vorschub in Richtung einer ersten Achse (im folgen­ den als Y-Achse bezeichnet) und auch durch einen zweiten Antriebsmotor 20 unabhängig angetrieben für Zustellung in der Richtung einer zweiten Achse (im folgenden als X-Achse bezeichnet), die orthogonal zur Y-Achsenrichtung liegt. Der zweite Fräserkopf 15 und der zweite Fräser 13 werden gleichfalls durch einen dritten Antriebsmotor 19 unabhängig für Zustellung oder Vorschub in Y-Achsen­ richtung und durch einen vierten Antriebsmotor 21 unab­ hängig für Zustellung in X-Achsenrichtung angetrieben (vgl. Pfeile in Fig. 2).

In der Nähe der ersten und zweiten Fräser 12 bzw. 13 sind zwei vordere und hintere Spannvorrichtungen 23 zum Ein­ spannen eines zu schneidenden Rohrs 4 an Stellen vor und hinter den Fräsern vorgesehen, um ein Rattern des Rohrs 4 beim Schneiden zu unterdrücken und einen stabilen Schneidvorgang bzw. einen sauberen Schnitt zu erreichen.

Die oben beschriebenen Bauteile sind auf einem fahrbaren Wagen 24 montiert, der sich synchron mit dem zu schneiden­ den Rohr bewegt.

Gemäß Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Schneidemaschine mit einer Steuervorrichtung 25 versehen, die zur Be­ stimmung der Fräser-Umfangsgeschwindigkeit, der geo­ metrischen Orte der Fräser sowie der Fräser-Zustell- oder -Vorschubgeschwindigkeiten durch Eingeben von Schneidbe­ dingungsdaten, wie Form, Abmessungen und Schnittlänge eines Rohrs und dgl., dient und die Drehantriebssteuerung von erstem und zweitem Fräser-Antriebsmotor 16a bzw. 16b sowie von erstem bis viertem Antriebsmotor 18-21 be­ wirkt.

Die Betriebsweise der beschriebenen Schneidemaschine ist nachstehend anhand des Ablaufdiagramms von Fig. 3 er­ läutert.

Nach der Eingabe von Schneidbedingungen, wie Form und Ab­ messungen eines Rohrs, Schnittlänge desselben, Spandicke und dgl., in die Steuervorrichtung 25 (Schritt P₁) be­ rechnet die Steuervorrichtung 25 zunächst geometrische Orte der betreffenden Fräser, die Zustell- oder Vor­ schubgeschwindigkeiten an den jeweiligen Stellen der be­ treffenden Fräser, die Fräser-Umfangsgeschwindigkeiten und dgl. in Vorbereitung auf den Schneidvorgang (Schritt P₂).

Bei der Vorschubbewegung des Rohrs wird sodann der fahr­ bare Wagen 24 durch ein Rohrfertigungs-Geschwindigkeits­ signal (Schritt P₃) synchron gesteuert (Schritt P₄), damit die Schnittlänge des Rohrs einer Soll-Länge ent­ spricht. Wenn Rohr und Wagen 24 gleiche Geschwindigkeit erreicht haben, wird das zu schneidende Rohr 4 gemäß Fig. 4 im Bereich seiner Schnittstelle durch die Spann­ vorrichtung(en) 23 fest eingespannt (Schritt P₅), und die ersten und zweiten Fräser 12 bzw. 13, die mit gesteuerten Fräser-Umfangsgeschwindigkeiten in Gleichlaufrichtung an­ getrieben werden, werden gleichzeitig und getrennt für biaxiale Zustellung auf X-Achse und Y-Achse (an)gesteuert (Schritte P₆ und P₇), so daß sie sich längs der Kontur des zu schneidenden Rohrs 4 bewegen. Der erste Fräser 12 schneidet dabei während seiner Bewegung auf der Bahn oder Strecke A → A′ → A′′, während der zweite Fräser 13 bei seiner Bewegung auf der Bahn oder Strecke B → B′ → B′′ schneidet (vgl. Pfeile in Fig. 4).

Nach Beendigung des Schneidvorgangs wird das Rohr 4 aus der Spannvorrichtung 23 ausgespannt; der fahrbare Wagen 24 läuft sodann in Vorbereitung auf den nächsten Schneidvor­ gang zurück (Schritte P₈, P₉ und P₁₁). Wenn dabei in einem Schritt P₁₀ Änderungen der Vorgabegrößen auftreten oder festgestellt werden, wird die Operation vom Schritt P₁ aus (wieder) eingeleitet; wenn keine Änderungen auf­ treten, werden die Schritte P₁ und P₂ ausgelassen.

Auch im Fall eines Rohrs eines asymmetrischen Querschnitts (Fig. 5) werden der erste Fräser 12 über die Strecke A → A′ → A′′ und der zweite Fräser 13 über die Strecke B → B′ → B′′ jeweils getrennt oder unabhängig in den beiden Achsrichtungen bewegt.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht folgendes hervor: Da ein geometrischer Ort eines Fräsers in Orthogonal­ koordinaten wiedergegeben oder festgelegt (represented) wird, können die Berechnung der (geometrischen) Orts- Positionen für ein Rohr eines unregelmäßigen Querschnitts und die Vorbereitung oder Aufstellung eines Steuer­ programms für das Schneiden des Rohrs in kurzer Zeit durchgeführt werden; außerdem sind dabei auch Korrektur­ arbeiten am Einsatzort möglich.

Da sich mehrere Fräserköpfe unabhängig voneinander bzw. getrennt bewegen, kann auch ein Rohr eines asymmetrischen Querschnitts geschnitten werden.

Da ferner die Steifheit oder Stabilität der Führungsein­ richtung unter Vergrößerung der Abstützkraft für den Fräserkopf verbessert ist, so daß der Fräserkopf eine große Trägheitsmasse aufweisen kann, werden Schwingung und Rütteln des Fräserkopfes aufgrund des für das Fräsen typischen intermittierenden Schneidens (Zerspanens) ver­ ringert. Da weiterhin ein Rattern des zu schneidenden Rohrs durch Einspannen desselben in der Nähe der Schnitt­ stelle mittels der Spannvorrichtung unterdrückt wird, wird ein Bruch der Fräserzahnkanten weitgehend ausge­ schaltet und damit die Abnützung derselben vermindert. Bei der bisherigen Schneidemaschine ist eine Spandicke S beim Schneiden auf 0,2 mm begrenzt; erfindungsgemäß hat es sich dagegen gezeigt,daß auch im Fall einer Spandicke S von 0,3 mm oder mehr kein Bruch der Fräserzahnkante auftritt und ein einwandfreies Schneiden möglich ist. Infolgedessen werden die Zeit für das Schneiden eines Rohrs wesentlich verkürzt und damit die Fahrstrecke des fahrbaren Wagens verkleinert. Hierdurch wird nicht nur eine Verkleinerung der Ausrüstung, sondern auch eine Kostensenkung ermöglicht und zudem auch die Schneid­ leistung wesentlich verbessert, so daß selbst ein sich mit hoher Geschwindigkeit bewegendes (transportiertes) Rohr zu Stücken kleiner Länge geschnitten werden kann.

Bezüglich der Standzeit der Fräserzahnkanten läßt sich folgendes sagen: Während bei der bisherigen Schneide­ maschine wegen der weitgehenden Schwingungsfreiheit das Schneiden nach einer Gegenlaufmethode erfolgt, wobei jedoch möglicherweise Zahnkantenbruch am Fräser auftritt, haben Schneidversuche erwiesen, daß erfindungsgemäß das Schneiden nach der Gleichlaufmethode erfolgen kann. Fig. 6 veranschaulicht Vergleichsdaten für den Flankenver­ schleiß (Verschleiß oder Abnützung V_B) an einem Fräser für den erfindungsgemäßen Fall und den bisherigen Fall beim Schneiden eines (quadratischen) Vierkantrohrs durch Fräsen mit einer Fräser-Umfangsgeschwindigkeit von 240 m/min. Aus Fig. 6 geht hervor, daß nach dem Fräsen mit einer Standard-Metallabtragungsmenge der Flankenver­ schleiß am Fräser (bei der erfindungsgemäßen Schneide­ maschine) auf ein Fünftel desjenigen bei der bisherigen Schneidemaschine verringert ist. Da die Standzeit oder Lebensdauer der Fräserzahnkante erheblich verlängert ist, braucht der Fräser deutlich weniger oft ausgewechselt zu werden. Demzufolge kann die Produktionsleistung höher sein; der laufende Aufwand für Fräsererneuerung ist mit­ hin erheblich verringert.

Claims (2)

1. Fahrbare Stahlrohr-Frässchneidemaschine zum Schneiden eines Rohrs, während sich die Schneidemaschine synchron mit der Rohrfertigungsgeschwindigkeit bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fräserköpfe mit jeweils Führungseinrichtung, Zustell- oder Vorschubeinrichtung und einem Fräser, der linear in Richtung zweier Achsen bewegbar ist, sowie eine in der Nähe der Fräser ange­ ordnete Spannvorrichtung zum Einspannen und Fixieren des Rohrs auf einem fahrbaren Wagen angeordnet sind und daß eine Steuervorrichtung für die Drehantriebs­ steuerung eines Zustell- oder Vorschub-Antriebsmotors für die Fräserköpfe auf der Grundlage von Eingabedaten für Schneidbedingungen, wie Form und Abmessungen des Rohrs und dgl., vorgesehen ist.

2. Frässchneidemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch die Steuervorrichtung die Umfangs­ geschwindigkeit der Fräser steuerbar ist.