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Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung, insbesondere zum Läppen und Schleifen von Kugeln
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung, insbesondere zum Läppen und Schleifen von Kugeln zwischen zwei gegeneinander wirkenden Scheiben mit die Kugeln führenden
Rillen, von denen die Rille der einen Scheibe zur Scheibenachse konzentrisch verläuft.
Der Flug-und Kraftfahrzeugbau als auch der Feinmaschinenbau stellen immer grössere Forderungen an die Herstellungsgenauigkeit von Kugellagern, deren Lebensdauer und Laufruhe im wesentlichen von der Qualität der Kugeloberflächenbearbeitung abhängen.
Kugelige Körper, besonders die Wälzlagerkugeln, werden durch Schleifen und Läppen bearbeitet.
Bei dem Fertigungsvorgang geht jede Kugel mehrmals zwischen zwei Bearbeitungsplatten hindurch, welche sich relativ gegeneinander in parallelen Ebenen bewegen. Durch die Wirkung der Reibungskräfte wird die Kugel in Wälzbewegung gebracht. Die genannten Platten werden in der Praxis zumeist als gleichachsige Scheiben ausgeführt, von denen mindestens eine mit mindestens einer Bearbeitungsnut od. dgl. und eine mit einem Zwangsantrieb versehen sind.
Bei der Wälzbewegung der Kugel zwischen zwei Platten bzw. Scheiben kommt deren Oberfläche zur Bearbeitung, u. zw. an den Stellen, wo die Umfangsgeschwindigkeit der Kugel und die Umfangsgeschwindigkeit der anliegenden Wände der Scheiben verschieden sind.
Die Kugel ist bei der Bearbeitung zwischen den gleichachsigen Scheiben geklemmt. In den Scheiben sind die Rillen ausgeführt, in denen die abgewälzten Kugeln gelagert sind. Hinsichtlich der Symmetrie der Anordnung der Scheiben und der Rillen wird die Kugel um eine Rotationsachse abgewälzt, welche mit der Achse der Scheiben Winkel von 900 einschliesst, welcher, was wichtig ist, während der Kugelbearbeitung in den Rillen nicht geändert wird. Dabei entsteht so ein Gleichgewicht der Reibungskräfte, dass sich die Wälzpunkte, in welchen die Relativgeschwindigkeit zwischen der Kugel und den Wänden der Rillen Null ist, selbsttätig einstellen. Deswegen wird auch die Kugel in diesen Stellen nicht bearbeitet. So entsteht nach dem Durchgang der Kugel durch die Bearbeitungseinrichtung an deren Oberfläche ein ungleichmässig bearbeitetes Meridianband.
Die Materialabnahme der Kugel im Bereich dieses Meridianbandes wächst proportional mit dem sich vergrössernden Abstand von den Wälzpunkten. Die Ungleichmässigkeit der Oberflächenbearbeitung der Kugel wird während der weiteren Durchgänge durch die Einrichtung in der Regel ausgeglichen, da die Kugel immer in einer andern Lage in die Rillen einfällt. Es handelt sich dabei um statistisch zufällige Effekte, und es ist nicht gewährleistet, dass die Oberfläche aller hergestellten Kugeln nach der-Bearbeitung eine kugelige Form in zulässigen Toleranzen aufweisen wird. Bei der Endkontrolle wird auch ein gewisser Prozentsatz solcher Kugeln ausgeschieden, deren Oberfläche eine unregelmässige Bearbeitung in wiederholten Lagen zeigt.
Durch die Erfindung soll die unerwünschte Zufälligkeit bei der Kugelbearbeitung ausgeschlossen werden. In die Lageänderung der Kugel in den Rillen soll daher eine solche Ordnung eingeführt werden, welche es ermöglicht, die ganze Kugeloberfläche regelmässig auf die vorgeschriebene Qualität zu bearbeiten.
Dies wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die in der andern Scheibe vorgesehene Rille, welche vorzugsweise von der Stirnfläche eines in sich
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geschlossenen, von der Scheibe vorstehenden Steges gebildet ist, längs einer in einer zur Scheibe parallelen Ebene liegenden, mit wellenförmigen Abschnitten versehenen Kurve verläuft, bei der die
Halbwellen zu beiden Seiten eines Kreises, der dem Kreis im Grunde der ersten Rille entspricht, angeordnet sind und die zwischen den wellenförmigen Abschnitten liegenden Abschnitte der Rille konzentrisch zur Scheibenachse sind.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : die Fig. 1 und 2 den einleitend erwähnten bekannten Stand der Technik, Fig. 3 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Scheiben im Achsenschnitt, Fig. 4 eine Ausicht von unten des Teiles der oberen
Scheibe nach Fig. 3, mit welligem Abschnitt der Rille, die Fig. 5, 6 und 7 drei verschiedene
Teilachsenschnitte durch beide Scheiben im Bereich des welligen Abschnittes der als Bearbeitungssteg ausgebildeten Rille, die Fig. 8, 9 zwei Beispiele der Abwicklung der welligen Bearbeitungsnut, einmal mit regelmässigen, und einmal mit unregelmässigen Wellen, Fig. 10 eine Kugel mit Ausbildung dreier Meridian-Doppelsysteme bei dreifachen Kugeldurchgang die Fig. 11 bis 16 die Ausbildung des Meridiansystems in Draufsicht auf die Nordpole beim Kugeldurchgang, Fig.
17 die Ansicht auf die bearbeitete Kugel mit veranschaulichten drei Meridiansystemen, Fig. 18 eine Kugel mit anderer Ausführung dreier Meridian-Doppelsysteme beim vierfachen Kugeldurchgang und die Fig. 19 bis 26 die Ausbildung des Meridiansystems bei Draufsicht auf den Nordpol beim Kugeldurchgang.
Die Kugel ist gemäss den Fig. 1 und 2 bei der Bearbeitung zwischen gleichachsigen Scheiben --2, 3-- gehalten. In den Scheiben--2, 3-- sind die Rillen--4, 5-- ausgeführt, in denen die Kugeln--l--gelagert sind. Infolge der Symmetrie der Anordnung der Scheiben--2, 3-- und der Rillen--4, 5-- wird die Kugel um eine Rotationsachse--8--abgewälzt, welche mit der Achse --10-- der Scheiben--2, 3-- einen Winkel a von 900 einschliesst, welcher, was wichtig ist, während der Kugelbearbeitung in den Rillen--4, 5-- nicht geändert wird. Dabei entsteht ein Gleichgewicht der Reibungskräfte, so dass sich die Wälzpunkte--6, 7--, in welchen die Relativgeschwindigkeit zwischen der Kugel--l--und den Wänden der Rillen--4, 5-- Null ist, selbsttätig einstellen.
Deswegen wird auch die Kugel--l--an diesen Stellen nicht bearbeitet. So entsteht nach dem Durchgang der Kugel --l-- durch die Bearbeitungseinrichtung an deren Oberfläche ein ungleichmässig bearbeitetes Meridianband. Die Materialabnahme der Kugel--l--im Bereich dieses Meridianbandes wächst proportional mit dem sich vergrössernden Abstand von den Wälzpunkten--6, 7--. Die Ungleichmässigkeit der Oberflächenbearbeitung der Kugel--l--wird während der weiteren Durchgänge durch die Einrichtung in der Regel ausgeglichen, da die Kugel--l--immer in einer andern Lage in die Rillen--4, 5-- einfällt. Es handelt sich dabei um statistisch zufällige Effekte, und es ist nicht gewährleistet,
dass die Oberfläche aller hergestellten Kugeln nach der Bearbeitung eine kugelige Form in zulässigen Toleranzen aufweisen wird. Bei der Endkontrolle wird auch ein gewisser Prozentsatz solcher Kugeln ausgeschieden, deren Oberfläche eine unregelmässige Bearbeitung in wiederholten Lagen zeigt.
Aus den Fig. 3 bis 7 ist ersichtlich, wie das wechselweise Verschwenken der Rotationsachse - -8-- der Kugel --1-- um ihre Ausgangslage quer zur Bewegung der Kugel--l--erreicht wird.
Wie aus Fig. 3 erkennbar ist, werden bei der Störung der wechselseitigen Formsymmetrie der beiden Rillen-4, 5- gegenüber der Achse --10-- der Scheiben --2,3-- andere Lagen der Abwälzpunkte--6, 7-- im Vergleich zum Fall nach den Fig. l und 2 eingestellt. Da die Lage der
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sich auch diese Rotationsachse --8-- in eine andere Lage als in Fig. 1 ein, was auch aus der Änderung des Winkels a ersichtlich ist, welchen die Rotationsachse --8-- mit der Achse--10--der Scheiben --2, 3-- einschliesst. Wird die Rille--4--mit welligen Abschnitten versehen, wie in Fig.
4 gezeigt ist, wandert die Achse --9-- gegenüber der Achse--11--der gegenüberliegenden Rille--5-- abwechselnd um den Abstand--12--nach beiden Seiten (s. die Fig. 5, 6 und 7). So tritt bei der Abwälzung der Kugel--l--zwischen den Scheiben--2, 3-- eine ständige Änderung der Abwälzpunkte--6, 7-- der Kugel--l--in beiden Rillen--4, 5-- auf, woraus das wechselweise Verschwenken der Rotationsachse --8-- der Kugel --1-- quer zu deren Bewegungsrichtung nach beiden Sinnen folgt.
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- -5-- die Aufgabe einer Leitnut.
Der Verlauf der abgewickelten Form der Steuernut--4--ist in Fig. 8 dargestellt. Jede Welle --32-- wird durch eine positive Halbwelle--31--und eine negative Halbwelle --31a-- gebildet. Im Verlauf der Welle --32-- kommt es zur Verschwenkung der Drehachse--8--der Kugel
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- l--von der einen Randlage zur andern, wobei an der Kugel--l--zwei Meridiane ausgebildet werden und die Kugel-l-eine Umdrehung vollführt. Die Zusammenfassung der Wellen-32bildet den welligen Abschnitt-33-.
Durch den Durchgang der Kugel-l-durch diesen
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31a-- des Abschnittes--33--- n-mat und man spricht von einem Übersetzungsverhältnis n : l, wo n eine reelle, positive und ganze Zahl ist. Die Meridiane schneiden sich bei Einhaltung des genauen Übersetzungsverhältnisses n : l in einem theoretischen Pol. Bei Nichteinhaltung des genauen Übersetzungsverhältnisses n : 1 wird eine
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34-- beendetandern Stelle der Kugel die durch den Durchgang durch den vorangehenden Abschnitt --34-- bestimmt wird, liegt. Ein weiterer welliger Abschnitt --33a-- kann sich durch Anzahl und durch den Verlauf der Wellen --32-- von dem vorangehenden welligen Abschnitt-33unterscheiden.
Die Anzahl der Aufeinanderfolge welliger und länglicher Abschnitte (--33, 34, 33a, 34a--) kann beliebig gross sein und ist nur durch reelle Möglichkeiten begrenzt, d. h. durch die Bahnlänge, die durch die Grösse der Scheibe --2-- gegeben ist. Die Summe der welligen und länglichen Abschnitte (--33, 34, 33a, 34a--), die sich voneinander sowohl durch die Anzahl als durch den Verlauf der Wellen-32, 32a--, und der Länge der länglichen Abschnitte-34, 34aunterscheiden können, bilden die Abschnittsfolge-36- (Fig. 8). Wenn die Kugel--l-- mindestens durch eine Abschnittsfolge--36--hindurchgeht, so ist der einfachste Arbeitszyklus - -37-- geschlossen.
Jeder wellige Abschnitt-33, 33a-- kann somit Wellen --32-- verschiedener Länge und
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brauchen nicht gleich zu sein. In diesem Falle unterscheidet sich das Teil-Übersetzungsverhältnis von n : 1. Das bedeutet, dass beim Durchgang durch jede Einzelwelle-32-sich die Kugel-l-nicht n-mal dreht, sondern so oft, dass die Anzahl ihrer Umdrehungen keine ganze Zahl darstellt. Das durchschnittliche Übersetzungsverhältnis nach dem Durchgang der Kugel--l--durch den welligen Abschnitt--33--der Wellen--32--muss jedoch n : 1 sein, bzw. sich zumindest n : l nähern, wo n wieder eine reelle, positive und ganze Zahl ist, die die Drehzahl der Kugel-l-nach Durchgang durch die eine Welle--32--darstellt.
Ein Beispiel dieser Ausführung ist in Fig. 9 dargestellt, wo der Verlauf der abgewickelten Form der Steuernut --4-- zu sehen ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der erste wellige Abschnitt --33-- vier Wellen --32-und der zweite wellige Abschnitt-33a-drei Wellen-32-auf. Die Kugel-l-dreht sich beim Durchgang durch den ersten welligen Abschnitt --33-- und den zweiten welligen Abschnitt - insgesamt siebenmal, jedoch beim Durchgang durch jede Welle --32-- erzielt man ein anderes Teilverhältnis. Die hiebei ausgebildeten Meridiane schneiden sich nicht im theoretischen Pol, sondern jeweils zwei und zwei Meridiane schneiden sich im andern Pol, so dass ein sogenanntes Vielpolsystem entsteht, das für eine gleichmässige Bearbeitung noch vorteilhafter ist als das Einpolsystem, das durch Einwirkung der gleichförmigen Steuernut --4-- ausgebildet wurde.
Eines der einfachsten und wegen ausreichender Bearbeitungsgenauigkeit entsprechendes Meridiansystem entsteht durch Ausbildung dreier Doppel-Meridiansysteme, deren Achsen zueinander senkrecht stehen (Fig. 10). Der Arbeitszyklus--37--ist nach drei Durchläufen der Kugel--l-- durch die in der Fig. 8 dargestellte Abschnittsfolge-36-geschlossen. Beim Durchgang der Kugel --l-- durch den ersten welligen Abschnitt--33--wird jeweils eine halbe Anzahl Meridiane ausgebildet, und infolge des Durchganges der Kugel--l-durch den weiteren welligen Abschnitt - -33a-- wird das 1 1/2-fache der festgelegten Anzahl von Meridianen ausgebildet.
Meridiane, die infolge des Durchganges der Kugel-l--durch den ersten welligen Abschnitt --33-- ausgebildet werden, haben den Nordpol SI. Die Anzahl der Wellen --32-- dieses Abschnittes --33-- wird derart gewählt, dass der erste Meridian --60-- mit dem letzten Meridian--61--einen Winkel von
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Meridiansystems steht, auszubilden. Der Nordpol dieses weiteren Meridiansystems ist S2. Sein Entstehen ist aus Fig. 12 ersichtlich.
Die Anzahl der Wellen --32-- wird wieder derart gewählt, dass der letzte Meridian-65--, ausgebildet beim Durchgang der Kugel--l-durch den welligen Abschnitt - -33a--, zum ersten Meridian --66-- senkrecht steht und mit diesem einen Winkel von 2700 einschliesst.
Nach Durchgang durch den länglichen Abschnitt --34a-- ist der erste Durchgang durch die in den Fig. 8 und 9 dargestellte Abschnittsfolge--36--beendet. Weitere Durchgänge der Kugel--l-- durch diese Abschnittsfolge --36-- verlaufen ähnlich. Die Ausbildung des Meridiansystems mit dem Nordpol S3 durch den zweiten Durchgang der Kugel-l-durch den welligen Abschnitt-33ist aus Fig. 13 ersichtlich, das Meridiansystem mit dem Nordpol S4, das durch den zweiten Durchgang der Kugel --1-- durch den weiteren welligen Abschnitt --33a-- ausgebildet wird, ist in Fig. 14 dargestellt. Beim dritten Durchgang der Kugel-l-durch die Abschnittsfolge --36-- wird der Arbeitszyklus --37-- geschlossen.
Meridiansysteme, die an der Kugel--l--während dieses dritten Durchgangs durch die Abschnitte --33,34,33a,34a-- ausgebildet werden, haben den Nordpol S5 der infolge des Durchgangs der Kugel durch den ersten welligen Abschnitt --33-- entsteht, und den Nordpol S6, der infolge Durchgangs der Kugel-l-durch den weiteren welligen Abschnitt - ausgebildet wird. Diese Pole samt zugehörige Meridiane sind in den Fig. 15 und 16 dargestellt. Der Übersicht halber ist in den Fig. ll bis 16 jeweils nur jenes Meridiansystem dargestellt, welches infolge des Durchganges der Kugel durch den oder jenen welligen Abschnitt-33 bzw. 33a-ausgebildet wird.
In Wirklichkeit bildet jedes Meridiansystem eine Ergänzung zu seinem gegenüberliegenden System, was bedeutet, dass sich die Meridiansysteme mit den Polen Si und S4, S2 und Ss und endlich S3 und S6 ergänzen, wodurch Doppel-Meridian-Systeme entstehen, so dass die ganze Kugel--l--gleichförmig mit einem dichten Meridiannetz bedeckt ist, wie in Fig. 17 dargestellt.
Die Fig. 17 zeigt die ideal bearbeitete Kugel --1-- mit den Spuren von drei im Raum senkrechten Meridiansystemen.
Es ist selbstverständlich, dass der beschriebene Vorgang der Kugelbearbeitung in der Herstellung mehrmals wiederholt wird, weil einerseits längs jeder Rille--4 oder 5--in den Scheiben--2, 3-mehrere wellige Abschnitte --13-- sich mit länglichen Abschnitten --14-- abwechseln und anderseits jede Kugel--l--mehrmals nacheinander zwischen die Scheiben--2, 3-- eingeführt wird, wodurch sich die Zahl der Meridiansysteme, in denen die Bearbeitung verwirklicht wird, multipliziert.
Die erfindungsgemässen Vorrichtungen werden überall dort Anwendung finden, wo es notwendig erscheint, dass die Kugeloberfläche gesetzmässig unter der Operationsstelle hindurchgeht, d. h. also nicht nur beim Schleifen, Abscheuern, Läppen oder Polieren, sondern auch beim Reinigen u. ähnl.
Eine ähnliche Wirkung, die dieses Bedecken der Kugel mit einem dichten Meridiannetz darstellt, kann auch anders erzielt werden, z. B. derart, dass der Arbeitszyklus --37-- durch vierfachen Durchgang der Kugel-l-durch die Abschnittsfolge --36-- nach Fig.9, wie in Fig. 18 gezeigt, erzielt wird. Infolge des Durchganges der Kugel--l-durch den ersten welligen Abschnitt-33wird jeweils eine halbe Anzahl Meridiane ausgebildet und durch den weiteren welligen Abschnitt
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Nordpol Si ist (Fig. 19) ausgebildet. Die Anzahl der Wellen --32-- wird derart gewählt, dass der letzte Meridian des welligen Abschnittes --33-- mit dem ersten einen Winkel von 900 einschliesst.
Nach dem Durchgehen der Kugel-l-durch den länglichen Abschnitt --34-- beginnt sich ein weiteres Meridiansystem mit der vollen Meridiananzahl auszubilden, dessen Achse zu jener des vorangehenden Meridiansystems normal steht. Dieses weitere Meridiansystem mit dem Nordpol S2 wird, wie in Fig. 20 dargestellt, ausgebildet. Die Anzahl der Wellen --32-- wird derart gewählt, dass der letzte Meridian dieses weiteren welligen Abschnittes --33a-- parallel mit dem ersten Meridian verläuft und mit diesem einen Winkel von 1800 einschliesst. Weitere Meridiansysteme bzw. deren Teile werden ähnlich durch die weiteren Kugeldurchgänge--l--durch die Abschnittsfolge-36-- ausgebildet.
Die Ausbildung des Meridiansystems mit dem Nordpol S3 ist aus Fig. 21 ersichtlich, das mit dem Nordpol S4, welches durch den zweiten Durchgang der Kugel--l--durch weiteren welligen Aschnitt --33a-- der Abschnittsfolge --36-- ausgebildet wird, ist in Fig. 22 dargestellt ;
jenes mit dem Nordpol Ss nach dem dritten Durchgang der Kugel--l--durch den ersten welligen Abschnitt --33-- der Abschnittsfolge--36--geht aus Fig. 23 hervor, jenes mit dem Nordpol S6 nach dritten
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Durchgang durch den weiteren welligen Abschnitt-33a-der Abschnittsfolge-36-, ist aus
Fig. 24 ersichtlich und endlich nach dem vierten Durchgang durch die Abschnittsfolge-36-ist der ganze Arbeitszyklus --37-- geschlossen. Die während dieses vierten Durchganges der Kugel-l-- durch diese Abschnittsfolge-36-ausgebildeten Meridiansysteme haben die Nordpole S7 und Ss und sind in den Fig. 25 und 26 dargestellt.
Der übersicht halber ist in den Fig. 19 bis 26 jeweils nur jenes Meridiansystem, welches beim Durchgang durch den einen oder den andern welligen Abschnitt ausgebildet wird, dargestellt. In Wirklichkeit bildet jedes Meridiansystem eine Vervollständigung zum gegenüberliegenden System, was bedeutet, dass die Meridiansysteme derart vervollständigt werden, dass doppelte Meridiansysteme mit drei senkrecht aufeinanderstehenden Achsen ausgebildet werden, ähnlich wie im vorangehenden Fall. Das Ergebnis dargestellt durch überdeckung der Kugel mit einem gleichförmigen Meridiannetz, ist gleich wie im vorangehenden Beispiel und wie in Fig. 17 dargestellt.
Eine Phasenverschiebung, die durch den länglichen Abschnitt --34-- erzielt wird, kann durch Ausbildung einer Polkappe, wo sich die Meridiane nicht in einem Punkte schneiden, erzielt werden. Dies erreicht man dadurch, dass beim Durchgang der Kugel--l--durch den welligen Abschnitt - -33--, die übersetzung grösser als n : 1 gewählt wird. Bedingung ist allerdings, dass nach Durchgang der Kugel--l--durch die eine Abschnittsfolge--36--die Durchschnittsübersetzung n : 1 ist, bzw. sich diesem Wert zumindest nähert.
Die Rille--4--kann sowohl an der festen Scheibe--2--, als auch an der Drehscheibe - -3--, bzw. an beiden Scheiben ausgebildet werden.
Durch geeignete Kombination der welligen Abschnitte-33, 33a- und des länglichen Abschnittes-34, 34a- können solche Abschnittsfolgen-36-ausgebildet werden, durch deren Einwirkung nach Abschluss des Arbeitszyklus an der Kugel jeweils das verlangte Meridiansystem ausgebildet wird.