CN105121091A - 用于高精度无心磨削具有高表面品质的轴部件的方法和磨削工具 - Google Patents

Abstract

介绍一种磨削工具(1)，用于以通过式方法高精度无心磨削轴状的工件(16)，所述磨削工具具有至少一个锥形的磨削区域(3)和圆柱形的磨削区域(4)。锥形的磨削区域(3)以其第一磨削衬层(13)主要被设置用于磨削掉较大的切削体积，相反，圆柱形的磨削区域(4)以其第二磨削衬层(14)主要被设置用于实现最高的表面品质，而并不以圆柱形的磨削区域磨去较大的切削体积。磨削衬层(13、14)至少在所应用的磨削介质方面是有区别的，其中，优选在锥形的区域中设置CBN，在圆柱形的区域中设置金刚石。另外，介绍了如下的方法，所述方法以根据本发明的磨削工具(1)来加工，并且磨削轴状的工件(16)。多余量和表面品质至少有时同时得到磨削。

Description

用于高精度无心磨削具有高表面品质的轴部件的方法和磨削工具

技术领域

本发明涉及一种用于高精度无心磨削具有高表面品质的轴状工件的方法和磨削工具，轴状工件特别是指用于液压缸或气动缸的活塞柱塞、减震器部件以及活塞杆。

背景技术

对于高精度磨削的、具有高表面品质的轴部件在本发明的范围内应当认为是如下的轴状部件，其表面品质和圆度公差处在大约1μm以及以下。特别是对于压力缸所用的活塞柱塞、减震器部件以及活塞杆，在形状公差和表面品质方面提出非常高的要求，这种要求出于对在使用中极为可靠的运行的追求而实现。于是，例如在减震器中的轴状的减震器部件中设置有密封元件，密封元件在减震器部件的表面上滑动并且必须确保从内向外以及从外向内的可靠密封。对于活塞柱塞要达到这种高质量要求主要是因为：在表面品质和形状公差较差的情况下，相比于上面提到的情况，运行表现变差。

已知的是，所需的表面品质和形状公差通过利用已知磨削盘的磨削无法实现，这种磨削盘在高表面品质的同时还应当需要适当的切削功率。尽管很多这种轴部件的件数需要量很大，但还是应当高性价比地而且以尽可能短的周期来制造，但是在已知的方法和机器中，以如下方式在高切削功率与高表面品质之间达成折衷：利用传统的磨削机以相对高的品质产生很高的切削功率，而所需的高表面品质在布置于磨削机后面的另一机器中以超细加工工艺产生。即使能够设想组合式的机械，其在第一站实现磨削，以及在第二站实施超细加工工艺，仍总是存在重大缺陷：工具必须通过至少两个加工站，进而由于这种变换而在制造精度方面出现损失。当在两个不同的制造机械上进行制造时：a)需要较高的占位需求，b)额外花费明显更高，以及c)额外在两个机器之间需要相应的操作系统。

在各道工序之间，一般必须额外地设置缓冲存储器，这进一步提高制造成本。

为了仍能够在工件制造中实现(低)制造成本以及短而简单的材料流，按照已知方式需要的是：将制造步骤的数目降至最低。由此，在已知的机器和制造方法中，以在表面品质和形状公差方面至少对于一系列应用令人满意的精度来实现轴状工件相对成本低廉的制造。这特别是通过无心磨削来实现。在无心磨削中，轴状的构件通常在通过式方法(Durchlaufverfahren)中来加工。但是，前面提到的甚至还低于1μm的精度范围在此无法实现。

这种无心磨削机的基本结构在侧视图中示例地以图4示出。在此，需要磨削的工件静置在也称为标尺的托架上，并且在调节盘和相应与该工具处于接合中的磨削盘之间被磨削。因为磨削盘和调节盘以相反方向转动，则通常在直径方面比调节盘更大的磨削盘能够相应地磨削工件。这种稳定的无心磨削机例如像由申请人的JUPITER系列机型的机器那样已知。

为了实现不同的磨削任务，一方面达到尽可能高的削除功率，以缩短周期，另一方面实现良好的表面品质，例如在G8904986.1中已知一种由彼此挨着成行排列的而且在轴向上彼此相对夹紧的磨削盘集合成磨削盘组件的磨削工具，其中，磨削衬层基于一种且为同种磨削介质的不同粒度按照各个盘彼此不同地构造。

在DE29516264U1或DE19533836B4中，介绍了一种磨削盘，其中，在其磨削衬层内部，衬层组分的物理特性在轴向上是不同的并且进而与在轴向上不同的磨削负荷相匹配。这以如下方式实现：颗粒的密集度沿轴向能改变地(优选能直线式改变地)构造。由此，磨削衬层的磨削表现应当与工件需要磨削的量相匹配。

在DE3811584A1中介绍了一种用于深磨的磨削盘，其中，磨削盘的不同的表面分段承担不同任务。在已知的磨削盘中，在顾及到不同的载荷的情况下以不同方式构造磨削面的各部分，具体而言是在分段中所应用的金刚石粒径及其密集度方面以不同方式构造。由此，主要切削工作应当由磨削盘-磨削面的在进给方向上首先发生接合的部分来承担，而后面跟着的部分应当尽可能决定表面品质。这应当以具有粗粒金刚石的区域和具有细粒金刚石的跟在后面的区域来实现。

在DE2462847C2中已知一种用于珩磨加工的方法以及一种用于执行所述方法的珩磨机，其中，借助具有锥形及圆柱形磨削区域的工具特别是能够磨削出孔。这种工具在锥形区域中以高效率进行切削并且在圆柱形的调整出成品规格的区域中产生所希望的表面。切削衬层在锥形区域中为了实现较高的削除功率而比圆柱形的区域具有较为粗糙的品质。

由此，基于上面介绍的现有技术，已知的是：在唯一的磨削盘内部，与磨削要求相对应地改变磨削颗粒的密集度和尺寸，以便利用一个磨削盘实现不同的磨削任务。另外，由现有技术已知的是：使用如下的磨削盘，其具有用于实现高削除功率的锥形分段以及用于实现相应表面品质的圆柱形分段。

发明内容

相应地，本发明的目的在于，提供一种方法和一种磨削工具，用以实现用于高精度无心磨削轴部件的工艺，所述轴部件特别是指液压缸或气动缸的活塞柱塞、减震器部件和活塞杆，借助这种方法和磨削工具能够实现短周期以及低机器成本，并且能够避免不利地影响到精度的变换夹紧操作。

本发明的目的凭借具有根据权利要求1特征的磨削工具和具有根据权利要求9特征的方法来解决。

适当的改进方案通过相应的从属权利要求来限定。

根据本发明，提供一种用于高精度无心磨削轴状工件的磨削工具。特别是针对诸如用于液压缸或气动缸的活塞柱塞、减震器部件或者活塞杆，对形状精度和表面品质提出最高的要求。根据本发明的磨削工具关于其转轴具有两个磨削区域(一个锥形磨削区域和一个圆柱形磨削区域)，其中，圆柱形磨削区域在轴向上与锥形磨削区域相连接。在此，锥形磨削区域以如下方式构造：锥形磨削区域被设置用于以很高的削除功率磨削，这以第一磨削衬层来实现。圆柱形的磨削区域以如下方式构造：圆柱形的磨削区域被设置用于对工件进行高表面品质的磨削并且具有第二磨削衬层。根据本发明，第一和第二磨削衬层的区别至少在于其各自的磨削介质。优选的是，第一和第二磨削衬层的各自磨削衬层的结合方式和衬层规格是不同的。优选的是，也可以不同的是第一和第二磨削衬层的磨削介质、结合方式以及衬层规格，必要时还有其他物理或化学特性。特别优选的是，对于第一磨削衬层将CBN(立方氮化硼)用作磨削介质，对于第二磨削衬层将金刚石用作磨削介质。针对不同的磨削介质应当理解为如下所述：这些磨削介质基于其不同的化学组成具有不同的磨削特性。

具有其锥形和圆柱形磨削区域的磨削工具被设置用于：使工件在固定设置的磨削工具旁边运动经过。凭借根据本发明的磨削工具，以通过式方法(Durchlaufverfahren)来磨削轴状的工件。这意味着：工件在走过一次与磨削工具宽度相等的运动行程时，就完成磨削。在本文中，完成磨削意味着：轴状的工件以与尺寸保持性、形状保持性和表面品质相关的最高精确度完成磨削。

磨削介质为金刚石的第二磨削衬层的优选构造方案令人惊讶地带来最高精度表面品质的效果，具体而言，是在甚至由一般为普通钢材构成的轴状的工件上带来最高精度表面品质的效果。对于磨削普通钢材的情况，基于本领域技术人员的认知，磨削介质金刚石是不适合的。因为钢对于碳具有很高的亲和度。因为金刚石是由纯碳构成的，所以金刚石不适合加工钢材。基于在磨削过程中的高温，钢从金刚石中吸引碳原子。由此，金刚石磨削颗粒毁坏。由此，这种磨削盘或这种磨削衬层的磨损出奇地高。令人惊讶的是，在这时仍表明：在CBN用于锥形磨削区域，金刚石用于圆柱形磨削区域的优选组合中，在尺寸保持性、形状保持性以及表面品质方面获得最佳的磨削结果。

当在通过式方法或无心磨削中利用根据本发明的工具进行磨削，则磨削工具优选由至少两个子磨削盘构成，其中，第一子磨削盘构成锥形磨削区域，第二子磨削盘构成圆柱形磨削区域，其中，两个子磨削盘又在彼此以如下方式夹紧：使磨削盘在不形成磨削缝隙的情况下(也就是无缝隙地)彼此邻接。对于“无缝隙”应当在本发明的范围内理解为几乎是彼此邻接。在前面提到的两个子磨削盘的情况下，这两个子磨削盘以其基体在磨削芯轴上以如下方式夹紧，使得它们的基体相碰触，但磨削衬层在子磨削盘相互夹紧的状态下彼此间具有例如大约0.2至0.3mm的小间距。这是需要的，由此在夹紧的状态下，不把侧向应力或者说紧合力导入磨削衬层中。

这种根据本发明的磨削工具的显著优点在于，针对以最高精度制造轴状的工件的方案，获得缩短的周期进而还有显著的成本节约，并且在总体上改善经济性，这特别是在要借助根据本发明的磨削工具制造件数很多的工件时，是很重要的。

磨削工具的锥形的磨削区域被设计用于高切削功率，而圆柱形的第二磨削区域优选被以如下方式构造，要么仅实现非常低的磨削量，要么没有明显的磨削量，但是按照所谓的无进给磨削工艺的方式实现精细磨削，或者甚至仅通过抛光进行表面磨光。

优选的是，磨削工具构造为磨削盘组件，其中，各个构成磨削工具的子磨削盘彼此相互或者相对夹紧，并且锥形的磨削区域由至少两个第一子磨削区域来形成。锥形的磨削区域通过至少两个子磨削盘构成的优点在于：优选在一方面两个第一子磨削盘可以具有彼此不同的圆锥角，另一方面能够更好地制造和装配。由此，以有利的方式可行的是，还可以说分阶段地执行程度很高的材料削除，从而在磨削过程中与需要磨削的工件首先发生接合的第一磨削盘中，实现了较大的切削体积，相反，与之相连接的、具有较小圆锥角的另一磨削盘实现了比之前发生接合的子磨削盘小的切削体积，从而在通过圆柱形区域磨削之前，在具有较小圆锥角的锥形磨削区域中，将较小的磨削力引入工件，进而确保了向磨削工具的圆柱形的第二磨削区域更佳的过渡。

同样可行的是，磨削工具一体地构造，从而第一和第二磨削衬层在其基体上以如下方式在轴向上彼此挨着布置，即：不存在缝隙，而是两个磨削衬层直接彼此邻接地构造，不存在缝隙，也不存在台阶。

根据本发明的第二方面，提供一种用于高精度无心磨削轴状工件的方法，工件特别是指用于液压缸或气动缸的活塞柱塞、减震器部件或者活塞杆。根据本发明，利用唯一的磨削工具(其具有：包括带第一磨削介质的磨削衬层的锥形磨削区域以及包括带第二磨削介质的磨削衬层的圆柱形磨削区域)，这种磨削工具以高精度在仅夹紧一次的通行中以如下方式对需要磨削的工件进行磨削：工件的多余量(Aufmaβ)和表面品质至少在部分时段同时在唯一的通行中进而利用唯一的机器得到磨削。优点在于，相对于在现有技术中已知的制造方法(其中，总是需要两部机器，至少是两个站点)，借助根据本发明的方法，除了节约占地之外，还使得投资耗费明显降低进而降低成本，这特别是在以很高的工件数量制造高精度的轴状工件时，是有意义的。

优选的是，第一磨削介质是CBN，其以单位时间的高切削体积磨削掉多余量，第二磨削介质是金刚石，并且被用于在必要时磨削掉非常少的、无论如何都比以CBN磨削区域磨削掉的切削体积低得多的切削体积。用于实现最高精度的表面品质的金刚石磨削区域也能够进一步用于使：按照超细加工的方式由此需要磨削的切削体积非常低或者例如按照无进给方式趋近于零，从而仅执行磨光、抛光。在本发明范围内，超细加工应当是指精细磨削。

附图说明

本发明的优点、构造方案以及应用可行方案在下面借助附图详细阐释。其中：

图1根据本发明示出针对无心磨削的磨削盘、调节盘以及需要磨削的轴状工件的原理结构；

图2根据本发明示出在利用磨削工具进行无心磨削时，用于针对轴状工件实现进给运动的、具有适当轴线的调节盘的结构；

图3A根据本发明示出针对通过式方法中的无心磨削的、具有锥形和圆柱形的磨削区域的磨削盘；

图3B根据本发明示出根据3A的磨削盘，但具有两个圆锥角不同的锥形的磨削区域；

图4根据现有技术以侧视图示出无心磨削结构的原理图示；以及

图5示出用于执行根据本发明的磨削方法的根据本发明的磨削工具。

具体实施方式

图1示出用于利用根据本发明的磨削工具1进行通过式无心磨削的磨削机的原理性构造。工件16安放在这里未示出的引导标尺上，并且在磨削时被给送通过磨削工具1与调节盘15之间的磨削缝隙。磨削工具1与调节盘一样具有两个磨削区域3、4，并且绕其转动轴线2旋转。磨削工具1和调节盘15朝相反方向旋转并且在磨削期间将工件16在通过式方法中相应于所绘出的箭头给送通过磨削工具1与调节盘15之间的磨削缝隙。如图1所示，工件16通过磨削工具1和调节盘15的接合而同样发生旋转。

调节盘15的磨削工具1和15a的相应的磨削区域3呈锥形地构造，并且磨削工具1的磨削区域4与调节盘15的磨削区域15b呈圆柱形或近似圆柱形地构造。调节盘15优选构造为单件的调节盘(具有橡胶粘合部的刚玉磨削盘)。这种调节盘能够在其形体上被修整，优选设置有金刚石无纺布。

图2示出当调节盘15为了在通过式无心磨削中进行磨削而枢转摆入时，从磨削工具1的方向看调节盘15的视图。另外，原理性构造相应于图1中所述内容。调节盘15的倾斜引起了工件16通过磨削工具1与调节盘15之间的(未示出的)磨削缝隙的给送通过。

在图3A中以夸大示出的圆锥角示出原理性的磨削盘结构，其具有：具备呈锥形修整的轮廓(磨削衬层13)的磨削盘区域3和具备呈圆柱形修整的轮廓(磨削衬层14)的磨削盘区域4。

在图3B中示出作为磨削盘组件的磨削工具1，其由三个子磨削盘5、6、9组成。子磨削盘5、6的圆锥角α、β以夸大的图示示出。构造为磨削盘组件的磨削工具1具有两个磨削区域3a、3b，这两个磨削区域呈锥形修整并且分别具有不同的圆锥角α或β。具有磨削区域3a、3b的锥形轮廓形成磨削盘引入部，具有磨削区域4的圆柱形轮廓形成磨削工具1的以其达到轴状工件的表面品质的部分。相应的子磨削盘5、6、9的宽度能够根据使用目的的不同以不同方式选择。针对各个子磨削盘5、6，能够使得粒度也不同，以便实现与相应磨削目的的最佳匹配。各子磨削盘5、6的磨削衬层中的颗粒密集度也可以改变，优选沿轴向直线地增加或降低。圆锥角α、β也可以根据多余量进而还有需要磨削的切削体积在结合例如材料特性的情况下发生改变。与磨削工具1是由唯一的基本载体构成还是有多个单独的子磨削盘构成为一个磨削盘组件无关地，能够通过修整磨削工具1将磨削盘3a、3b、4的各自宽度与技术要求相匹配。在本实施例中，α大于β，从而在磨削时，两个子磨削盘5、6中的第一子磨削盘5比两个子磨削盘5、6中的第二子磨削盘6削除掉更大的削除体积。

图4以这种磨削机的侧视图示出针对通过式无心磨削的原理性图示。在磨削盘1与调整盘15之间限定出磨削缝隙，在磨削缝隙中，需要磨削的工件16在磨削期间支撑在引导或安放托架17上。X1和X2示出针对磨削芯轴X1和调整芯轴X2的进给方向。这种原理性构造是已知的而且以这种形式用于通过式无心磨削。

在图5中示出根据本发明的磨削工具1。这种磨削工具1具有引入区域，引入区域呈锥形地修整并且在本实施例中由四个单独的子磨削盘5、6、7、8构成。据此，锥形的磨削区域由四个磨削区域3a、3b、3c、3d构成并且针对工件(这里未示出)表现为引入区域，其中，全部四个子磨削盘5、6、7、8具有相同的圆锥角。四个子磨削盘5、6、7、8具有全部相同的磨削衬层13，这种磨削衬层作为磨削介质具有陶瓷化键合的CBN。在相对高的切削体积的情况下，凭借这种子磨削盘5、6、7、8以其锥形引入轮廓基本上磨削掉需要磨削的工件上多余量。

根据哪一部分多余量应当被一个相应的子磨削盘磨削掉，已经可以不同地选定相应的子磨削盘的磨削衬层的规格。根据需要磨削的工件的材料性质和规格，相应的磨削衬层的规格(例如其粒径、密集度、密集度分布、结合方式等)可以是不同的，正如相应的圆锥角可以是不同的。在子磨削盘的圆锥角不同的情况下，一个或多个第一子磨削盘通常具有比后续的子磨削盘更大的圆锥角。子磨削盘的圆锥角越小，通过该子磨削盘需要磨削的切削体积就越小。由此，利用根据本发明的磨削工具可行的是：磨削盘规格被最佳地根据需要磨削的结果做出调整。特别是例如可以将两个第一子磨削盘优选为了非常高的切削功率来设计，而两个后续的具有较小圆锥角的子磨削盘为了相对较低的切削功率来设计，但已经为了更佳的尺寸保持性和表面品质加以设计。根据子磨削盘的数目和构造，各子磨削盘间的切削功率的变化可以有意识地有梯度地实现，或者基本上无梯度地实现。呈锥形修整的子磨削盘的直径差值至少具有工件的与直径相关的磨削多余量。子磨削盘锥度能够借助金刚石修整轮来修整并且能够根据应用情况借助存储在配有根据本发明的磨削工具中的磨削机中的修整程序以CNC(数控机床)控制的方式容易地改变。针对具有锥形轮廓的子磨削盘，替代陶瓷化键合的CBN也能够设置为磨削介质的是具有合成树脂粘合的磨削介质。

图5中示出的子磨削盘9、10具有圆柱形的形状。该磨削盘被修整成这种圆柱形的形状，并且因此具有恒定的或几乎恒定的直径。

凭借这种子磨削盘9、10，使为了简化而在图5中未示出的轴状工件上的表面得到精细磨削或者经历超细加工，具体而言，利用两个磨削区域4a、4b来执行。通过这种精细磨削，获得了所希望的高表面品质。同样在磨削区域4a、4b中，能够使金刚石颗粒的粒度或者其密集度与相应的磨削目的相关地有变化地构造，例如沿轴向直线地增大或减小。

在这里的实施例中，子磨削盘9、10是具有陶瓷化键合或合成树脂粘合的金刚石磨削盘。通过在图5中介绍的构造，例如可行的是，对整个磨削盘组件加以修整。通过将实施超细加工或精细磨削的子磨削盘9、10整合到磨削工具1(其通过对于工具上多余量的材料削除起关键作用的子磨削盘5、6、7、8来表现)中，可行的是，在另一部机器上或者机器上的另一个站点进行超细加工的整个过程被省去。由此，利用根据本发明的磨削工具不仅实现了短的周期时间，而且也实现了显著的成本节约。

图5中在下方示出的箭头示出工件相对于磨削工具1的给送方向。与该给送方向相关地，在金刚石子磨削盘9、10前面设置有CBN子磨削盘，CBN子磨削盘如已经提及地主要对工件多余量的材料进行切削，尺寸和形状精确度至少粗略地实现。相应地，金刚石子磨削盘9、10可以说是负责在尺寸与形状精度方面“最后的磨削”以及负责实现所需要的高表面品质。

通过将根据本发明的磨削工具1在处于利用转动轴线2旋转的磨削芯轴11上的一个磨削盘组件中将多个具有不同物理特性的磨削盘借助夹紧法兰12夹紧地整合起来，针对通过式防范中的无心磨削能够实现高精度的尺寸和形状保持性以及表面品质。这种呈紧凑的大宽度磨削盘形式的磨削工具(其用于削去较大切削体积以及同时用于实现高表面品质)在最高的品质要求下提供了大批量技术应用的可行性。

附图标记列表

1磨削工具

2转动轴线

3、3a、3b、3c、3d第一磨削盘

4、4a、4b第二磨削盘

5、6、7、8第一子磨削盘

9、10第二子磨削盘

11磨削芯轴

12夹紧法兰

13第一磨削衬层

14第二磨削衬层

15调节盘

15a调节盘的第一磨削区域

15b调节盘的第二磨削区域

16工件

17引导或安放托架

Claims (11)

1.一种磨削工具(1)，用于高精度无心磨削轴状的工件，所述磨削工具具有：关于其转动轴线(2)呈锥形的磨削区域(3)和与锥形的磨削区域在轴向上相连的圆柱形的磨削区域(4)，其中，锥形的磨削区域(3)被构造用于利用第一磨削衬层(13)进行高削除功率的磨削，圆柱形的磨削区域(4)被构造用于利用第二磨削衬层(14)进行高表面品质的磨削，第一磨削衬层(13)和第二磨削衬层(14)至少在其磨削介质方面是不同的。

2.根据权利要求1所述的磨削工具(1)，其中，第一磨削衬层(13)和第二磨削衬层(14)在结合方式和衬层规格方面是不同的。

3.根据权利要求1或2所述的磨削工具(1)，其中，第一磨削衬层(13)具有CBN来作为磨削介质，第二磨削衬层(14)具有金刚石来作为磨削介质。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的磨削工具(1)，所述磨削工具由至少两个子磨削盘(5至10)构造，所述子磨削盘的第一子磨削盘(5至8)形成锥形的磨削区域(13)，所述磨削盘的第二子磨削盘(9、10)形成圆柱形的磨削区域(14)，其中，两个子磨削盘(5至10)无间隙地彼此邻接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的磨削工具(1)，所述磨削工具由磨削盘组件构造，其中，锥形的磨削区域(13)通过至少两个第一子磨削盘(5、6；7、8)形成。

6.根据权利要求5所述的磨削工具(1)，其中，两个第一子磨削盘(5、6；7、8)具有彼此不同的圆锥角。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的磨削工具(1)，所述磨削工具单件地构造，第一磨削衬层(13)和第二磨削衬层(14)无间隙地沿轴向彼此挨着布置。

8.根据权利要求1至3中任一项或根据权利要求7所述的磨削工具(1)，其中，第一磨削衬层(13)和第二磨削衬层(14)布置在整合构造的基体上。

9.一种用于高精度无心磨削轴状工件的方法，轴状工件特别是指活塞柱塞或减震器部件，其中，借助根据权利要求1至8中任一项所述的唯一一个磨削工具的、具有第一磨削介质的锥形的磨削区域以及与锥形的磨削区域在轴向上相连的、具有第二磨削介质的圆柱形的磨削区域，在通过式方法中至少在部分时段上使工件的尺寸和表面品质同时得到磨削。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，利用CBN作为第一磨削介质进行磨削，利用金刚石作为第二磨削介质进行磨削。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，CBN磨削区域以单位时间内较高的第一切削体积磨削掉多余量，基本上达到最终尺寸，金刚石区域以比第一切削体积低的或者趋近于零的第二切削体积磨削出表面品质。