CN107073673B

CN107073673B - 用于抛光加工旋转对称的工件区段的周缘面的方法和装置

Info

Publication number: CN107073673B
Application number: CN201580045414.9A
Authority: CN
Inventors: M.博施
Original assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2035-06-17
Also published as: ES2725460T3; DE102014211937B3; CN107073673A; DE102014211937C5; EP3157708A1; WO2015197448A1; HUE043411T2; EP3157708B1

Abstract

一种用于抛光加工在工件处的旋转对称的工件区段的周缘面的方法，在加工周缘面时，使抛光工具(100)利用压紧力在压靠方向(AR)上压靠所述待加工的周缘面。为了产生材料磨蚀，使工件绕工件轴(192)旋转并且在抛光工具与工件之间产生振荡的相对运动。为了产生振荡的相对运动，使抛光工具沿着振荡方向以规定的振荡行程长度和振荡频率往复运动。振荡运动与抛光工具的平行于工件轴伸延的线性运动在线性行程长度上叠加。线性运动和振荡运动与抛光工具绕垂直于工件轴和压靠方向伸延的摆动轴的摆动运动叠加。根据线性运动的轴向位置控制抛光工具的摆动位置。由此，可借助于抛光有目的地产生不同的轴向包络线特征，以例如保持工件区段的凸圆形的外形。

Description

用于抛光加工旋转对称的工件区段的周缘面的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于抛光加工旋转对称的工件区段的周缘面的方法以及适合用于执行该方法的装置。

背景技术

也被称为超级抛光的抛光是利用不确定的刀具的切削的精加工方法。通过抛光，可加工在工件处的旋转对称的或非旋转对称的工件区段的工件表面，工件例如为曲轴、凸轮轴、变速器轴或其它用于产生期望的表面微观结构所用的力机械和工作机械的构件。在以穿透方法抛光时，被填有颗粒的切割介质的抛光工具被压靠到待加工的周缘面处。为了产生用于材料磨蚀所需的切割速度，使工件绕其工件轴旋转。同时，在工件与贴靠在周缘面处的抛光工具之间产生平行于工件表面振荡的相对运动。通过工件的旋转运动和叠加的振荡运动的组合，可产生所谓的交叉研磨模型，由此被加工的工件表面例如尤其适合作为用于滑动轴承或滚动轴承等的工作面。待加工的工件区段例如可为主轴承或曲轴的连杆轴承或凸轮轴轴承。

与研磨不同地，抛光是热中性的加工方法，在其中，不产生被微裂缝或表面应力穿过的软表皮。抛光常常在研磨过程之后用作过程链的最后的切削加工方法，以便除去软表皮，再次曝露原来的组织结构，提高粗糙的表面结构的承受范围并且在圆度方面和在轴向和周向上短波的缺陷方面改善构件几何外形。

在此，研磨是最后成型的加工操作。在研磨的情况中，对于机械控制部来说研磨工具的几何外形是已知的，从而可相应于通过机械控制部引起的工具引导通过研磨为工件给出轮廓。用于该造型的前提是有规律地修整或校准研磨工具。但是，研磨过程通常不能够获得可通过抛光加工获得的表面性能。

在抛光加工旋转对称的轴承部位的情况中，通常前提是保持轴向轮廓。在柱形的轴承部位处的形状值的改善主要在径向方向上进行，并且与预加工强烈相关。那么，例如，可相对过程可靠地改善例如带有大于在周缘处15波的短波的缺陷部分，而通过抛光通常不能正面地影响长波部分，例如椭圆、三角形或四边形。通过抛光过程的切削量通常在约10μm之下。为了尽可能地保持几何形状，在正常情况中使抛光过程的材料磨蚀与预加工协调。

研磨通常是最后的成型的加工操作。这意味着，旋转对称的轴承部位基本上通过连接在抛光过程之前的研磨过程而实现具有轮廓。为了轴承部位的成型和设计，砂轮的连续修整是强制必须的。根据对轴承部位的要求和图纸公差，减小或延长修整周期。但是，研磨过程通常不能够获得可通过抛光加工获得的表面性能。

在加工在轴处的轴承区段的情况中，几何形状要求常常是如此的，即，单个的或所有轴承区段应具有稍微凸圆的外形。旋转对称的轴承区段的凸圆的(圆筒形的、凸形的)外形可有助于避免由于在轴承中共同作用的组件的对准和形状误差引起的轴承损害。在凸度方面的相应的由用户规定的最终包络线要求通常表述成在轴承区段的不同轴向位置之间几微米的直径偏差。

在研磨曲轴轴承区段的情况中，可通过相应地修整在研磨时使用的研磨盘的周缘面实现凸圆形的宏观形状(例如参考EP 1 181 132 B1，图5)。

文献EP 1 514 642 A2描述了一种用于抛光加工轴、特别是曲轴和凸轮轴的装置，其带有工具架和无端部的研磨带，研磨带具有柔性的载体和带有硬质材料的研磨介质层。该装置用于加工绕其旋转轴旋转的工件。在工件加工期间，研磨带驱动部连续地驱动研磨带。设置用于研磨带的张紧装置。工具架具有带有两个彼此间隔开的带转向部的加工头部，带转向部限制加工头部的工作区域，其中，研磨带经由带转向部被引导并且在工作区域中经过工件的待加工的周缘面。在工作区域之外，环绕的研磨带关联有用于修整研磨介质层的装置，该装置具有在工件加工期间可靠到以与工件加工协调的带速度环绕的研磨带的研磨介质层上的修整工具。在一实施形式中，修整工具横向于带卷提方向具有凸圆形的轮廓，其在修整时被传递到研磨介质层上。由此，在已加工的工件区段处产生稍微凸圆形的轮廓。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用于抛光过程的方法和装置，其允许，不仅保持且必要时稍微改善借助于抛光加工从预加工中得到的已加工的工件区段的形状值，而且也可在需要时有目的地影响并产生、确切地说改变该形状值。尤其地，应实现这样的可能性，即，借助于抛光产生带有规定的凸圆的外形的非柱形的工件区段。

为了实现该的标，本发明提供带有权利要求1的特征的方法。此外，提供带有权利要求5的特征的适合用于执行该方法的装置。在从属权利要求中说明有利的改进方案。所有权利要求的内容参考说明书的内容。

在要求保护的发明中，在平行于工件的旋转轴的直线线性运动期间，迫使抛光工具或对于材料磨蚀重要的、抛光工具的设有切割介质的部分进行与该线性运动叠加的摆动运动，从而抛光工具的研磨的部分沿着至少部分地弯曲的工具工作轨道被引导。

由此，可有目的地利用不同强的材料磨蚀抛光在已加工的工件区段处不同的、轴向并排的轴向区段，由此，可有目的地产生期望的、在轴向方向上非直线地伸延的包络线形状。由此，可借助于特殊的机械配置方案相对于由预加工得到的包络线形状改变包络线形状。由此，实现了借助于抛光的造型加工。

在一些加工变型方案中，如此进行机械的控制，即，在线性的机械轴的线性行程的最终阶段中，抛光工具的在线性运动的运动方向上提前的前部的端部区段比之后的后部的端部区段更靠近工件轴和/或以更高的局部压紧力压靠到周缘面处。由此，通常可获得凸形的或凸圆的形状。尤其地，全凸圆的包络线形状、柱形凸圆的包络线形状或柱形对数包络线形状属于这些形状。

在结构方面，这在装置中由此来实现，即与传统的机械方案相比，设置附加的或其它可有目的地操控的机械轴、即旋转的机械轴，以通过两个线性的运动轴和旋转轴的叠加为抛光工具实现二维的、几乎任意的轨迹曲线。

装置的稳定的且可靠工作的变型方案的特征在于，平移的机械轴具有水平滑块，其包括带有圆形台的旋转的机械轴，旋转的机械轴可相对于滑块借助于数字控制的旋转驱动部、例如伺服电机绕相应于摆动轴的水平的旋转轴旋转。圆形台可载有滑块引导部，其具有平移的机械轴，以使工具架沿着垂直于摆动轴伸延并且相应于压靠方向的推进方向运动。

也可行的是，以其它方式组合机械轴，例如通过设置带有圆形台的旋转的机械轴，圆形台载有用于平移的机械轴的线性引导部。

也可行的是，旋转的轴实现成集成到抛光工具中的轴，即，贴靠在工具架的工具侧处。由此，也可实现的是，研磨的切割介质沿着期望的弧形的工作轨道被强制引导，以例如在工件区段处产生凸圆的外形。

附图说明

从权利要求和以下对本发明的优选的实施例的描述中得到本发明的其它优点和方面，以下根据附图阐述这些实施例。其中：

图1显示了在用于抛光加工工件的周缘面的方法的实施例中的加工情况的侧视图；

图2显示了图1中的加工情况的轴向视图；

图3显示了用于工具运动的运动学的细节；

图4以侧视图(图4A)和前视图(图4B)显示了用于执行方法的装置的实施例；以及

图5显示了带有集成的摆动轴的抛光工具的实施例。

具体实施方式

根据图1和2阐述一些对于理解本发明的实施形式有帮助的关联性和概念。在此，图1显示了在用于抛光加工在工件190处的旋转对称的工件区段的周缘面195的方法的实施例中典型的加工情况的侧视图。工件借助于用于产生工件绕工件旋转轴、或工件轴192的旋转运动的旋转装置以恒定的旋转速度旋转。待加工的工件区段例如可为曲轴的主轴承或其它轴、例如凸轮轴或平衡轴的轴承面。

为了借助于抛光在工件区段处引起材料磨蚀，抛光工具100利用在压靠方向AR上作用的压紧力F压靠待加工的周缘面或待加工的工件区段。为此，抛光机械具有相应的压紧装置。

通过以下方式辅助材料磨蚀，即，借助于振荡装置产生平行于工件表面取向的在工件与抛光工具之间的振荡的相对运动(见双箭头OSZ)。在该示例情况中，振荡装置安装在抛光工具的侧上，从而使抛光工具在垂直于压靠方向AR伸延的振荡方向OR上振荡地运动，而工件仅仅绕工件轴192旋转。在此，振荡装置包括气动振动器，其可使抛光工具相对于工具架180运动。

此外，设置平移的机械轴(数字控制的线性轴)，其可引起抛光工具在线性行程方向LR上与振荡运动叠加的线性运动，线性行程方向LR平行于工件轴192伸延。可在需要时在大于振荡行程的线性行程长度上进行线性运动(双箭头LIN)。

此外，设置用于产生抛光工具的与线性运动叠加的摆动运动的旋转轴(数字控制的旋转轴)。绕垂直于工件轴并且垂直于压靠方向AR伸延的摆动轴SA进行摆动运动(弯曲的双箭头SW)。

在示例情况中，抛光机械的控制部配置成，可根据线性运动LIN的轴向位置控制抛光工具的摆动位置、也就是说绕摆动轴SA的当前旋转位置。由此，在示例情况中，振荡方向OSZ关于机械坐标系的定向是线性运动的轴向位置和摆动位置的函数，并且阶段性地不是平行于、而是以相对于工件轴的变化的锐角的方式伸延。

装配在工具架180的自由的端部处的抛光工具100具有切割介质载体110，其典型地由工具钢或另一金属的材料制成并且在其后侧处包括用于将抛光工具装配在工具架180处的装置。在切割介质载体的前侧处例如借助于粘合剂或借助于螺钉固定切割衬面120。通过烧结材料形成的切割衬面包含多个切割介质颗粒，在示例情况中，其均匀地分布在由粘合剂组成的基质之内。切割介质颗粒例如可为金刚石颗粒或由立方氮化硼(CBN)组成的颗粒。作为粘接剂，例如可考虑陶瓷的或金属的材料。

切割衬面在其面向切割介质载体的基础侧处通常具有矩形横截面。根据定义，切割衬面的纵向L是这样的方向，即，其在抛光加工时大致平行于工件旋转轴伸延。横向Q以这样的方式垂直于纵向L伸延，即，纵向和横向位于垂直于压靠方向的平面中。

在背对切割介质载体的侧上，切割衬面形成研磨的、凹形-柱形的切割面125，切割衬面在抛光加工期间利用该切割面125或多或少大面积地贴靠在待加工的周缘面处。如可在图2中良好地识别出的那样，切割面在横向Q上具有凹形的形状，其曲率半径基本上相应于在抛光加工结束时待加工的工件区段的理论曲率半径。

根据示意性的图3，阐述在产生工件190的工件区段194的全凸圆形的轴向几何形状的情况中的工具运动的运动学的细节。没有按比例尺示出比例。工件190绕其工件轴192旋转。抛光工具100借助于压紧装置在压靠方向AR上压靠旋转对称的工件外面。抛光工具相对于工具载体在垂直于压靠方向的振荡方向OSZ上振荡。振荡运动与平行于工件旋转轴192伸延的线性运动LIN叠加，为线性运动设置抛光机械的数字控制的线性轴。

在图3中夸张地示出了线性行程，也就是说，线性运动的行程长度。典型地，振荡行程在几毫米的范围中，例如在±0.5mm至±3mm的范围中。通过线性运动可附加地获得的行程可在相同的数量级中，即，例如在1mm与3mm之间。其它行程长度和行程长度比例也是可行的。

轴平行的线性运动与抛光工具绕垂直于线性方向和垂直于压靠方向伸延的摆动轴的摆动运动叠加。为了实现周缘区段的示出的凸形的、也就是说筒形的外形，如此控制摆动运动，即，在线性行程的最终阶段中、即在超过中间位置之后线性行程的第二半部中，根据控制程序的规定，抛光工具的在线性运动的运动方向上提前的前部的端部区段更靠近工件轴192，或利用比在运动方向上之后的后部的端部区段更高的局部压紧力压靠到周缘面处。如果抛光工具例如在图3中的第一方向R1上向左运动，则前部的端部区段E1利用比之后的第二端部区段E2更强的局部压紧力压靠工件表面。为此，压靠方向以相对于工件旋转轴192偏差90°的角度的方式伸延。在线性行程运动的中间阶段中，压靠方向垂直于工件旋转轴取向并且抛光工具的两个端部区段利用几乎同样大的局部压紧力压靠周缘面。现在，在(在第二方向R2上)接近在另一侧上的反转点的情况中，第二端部区段E2相对于第一端部区段E1提前并且利用比第一端部区段E1更强的局部压紧力压靠到周缘面处。

摆动运动的最大摆动角度，也就是说在压靠方向的当前定向与零点位置之间的最大角度(压靠方向垂直于工件旋转轴192)通常非常小并且通常在1°以下，必要时也在0.1°以下。例如，摆动角度可在0.01°至0.1°的范围中。

通过该运动学，振荡方向OR总是平行于工件表面在包含工件轴192的轴向平面中伸延。在该运动学中，压紧力与抛光工具的轴向位置无关地始终基本上在相对于工件区段的刚好被加工的部分的法向方向上作用，即，垂直于工件表面作用。在工件的稳定的旋转速度和稳定的振荡频率下，局部的材料磨蚀基本上通过局部存在的压紧力被确定，从而借助于抛光加工可产生带有凸形的包络线的凸圆形的外形。

为了实现，与工件区段的刚好被加工的部分的局部直径无关地，仅仅通过操控压紧装置确定期望的压紧力，线性运动和摆动运动还与在压靠方向上伸延的线性平衡运动叠加。

显然，根据相同的原理也可产生另外的轴向的几何形状。如果摆动运动例如设计成，使得压靠方向AR在绕周缘区段的轴向中点更宽的区域中保持垂直于工件旋转轴192取向，并且仅仅在最终阶段中抛光工具在反转点附近摆动，则例如可产生柱形的-凸圆形的轴向几何形状，在其中，工件区段的柱形的部分位于中间区域中，该柱形的部分朝向轴向的边缘为了减小直径而被倒圆。以这种方式，还可产生柱形对数的或凹形的包络线形状。

例如通过在带有最大半径或直径的区域与带有最小半径或直径的区域之间的半径差AR给出的凸度的幅度通常在几微米的数量级中，例如在1与5μm之间。

根据图4阐述用于抛光加工周缘面的装置400的实施例，利用该装置400可实现特别的工具运动学。图4A为此示出了平行于实施线性行程的水平的线性机械轴的运动方向的侧视图。图4B显示了在垂直于该线性方向的水平方向上的装置的前视图，水平方向相应于旋转的机械轴的轴向。

在装置的垂直的载体410处，设置有带有水平的轴向的线性机械轴LA。通过该机械轴LA产生所描述的线性运动。该线性的机械轴包括水平滑块420，其沿着水平的引导轨道425被引导并且借助于伺服马达(未示出)经由滚珠丝杠运动。滑块420载有旋转的机械轴，其包括圆形台430，圆形台430可借助于数字控制的旋转驱动部相对于滑块420绕水平的旋转轴旋转，该旋转轴相应于摆动轴SA。可绕摆动轴旋转的圆形台430在其前侧处载有所谓的滑块引导部440，其包含平移的机械轴，以便于沿着垂直于摆动轴SA伸延的推进方向移动工具架180，推进方向相应于压靠方向AR。在工具架的前端部处安装有抛光工具100，其加工工件190，为了加工，借助于旋转装置如此驱动工件190，即使得工件190以规定的转速(例如在50min^-1与300min^-1之间)绕其工件旋转轴192旋转。

装置可如下工作。在工件190绕工件轴192旋转期间，抛光工具100沿着振荡装置的运动轴实施其在振荡方向OR上的快速振荡运动。附加地，为了产生被加工的工件区段的轴向几何形状，通过滑块引导部为抛光工具叠加内插运动。滑块引导部为此沿着线性轴LA的水平运动方向实施相对缓慢的且较大的行程。同时，旋转台430使滑块引导部440绕摆动轴SA摆动，而可使工具架180线性移动的线性轴引起相应的长度平衡。以这种方式，迫使抛光工具进行弧形的工具工作轨道。由此，在已加工的工件区段处，通过抛光可产生圆形的或任意其它轴向的工具工作轨道，由此，可在工件处产生相应的包络线形状。

通过与线性的机械轴LA的运动相结合的摆动角度的变化，可设计并影响在被加工的周缘区段的轴向方向上的所有可设想的轮廓。可获得包络线的凸形的以及凹形的线形状。

通过在此实现的可借助于抛光在轴向方向上有目的地影响轴承部位的包络线形状的可能性，在未来的加工过程中必要时可省去在传统的过程中置于之前的精研磨。通过抛光加工现在可设计成造型的加工，抛光过程不再与预加工相关，确切地说更少地与预加工相关。抛光过程也可由此必要时设计成更有效地带有更大的切削量。必要时，可在使用该新型的抛光技术时省去在加工一定数量的轴承部位之后在研磨工具中之前的通常的工作循环。平行于轴向轮廓的振荡运动的高振动频率(典型地为至少10Hz)，保证抛光工具的自身锋利效果，从而与在研磨工具中不同的是不需要抛光工具的修整。由此，可显著缩短过程链并且可节省投资。

在至此示出的示例中，旋转的摆动轴是机械轴，而抛光工具是传统的被动抛光工具。在其它实施例中，可省去在抛光装置中的旋转的摆动轴。代替地，摆动运动或相应的摆动轴可集成到可主动操控的抛光工具中。在此，图5示例性地示出了带有集成的摆动轴的抛光工具500。抛光工具500的切割介质载体510为此设计成多件式的。机械侧的固定的部件512利用合适的固定件固定地固定在工具载体110处。固定的部分载有相对于可相对于固定的部分运动的部分514，其可相对于固定的部分受限地绕摆动轴SA摆动。切割衬面520固定在可动的部分514的前侧处。带有切割衬面的可动的部分相对于固定的部分的摆动运动借助于执行器ACT实现，其例如可借助于压电元件构成。执行器经由抛光装置的控制单元操控并且根据平移轴平行于工件旋转轴的线性运动引起可动的部分相对于固定的部分的摆动。

在该变型方案中，带有切割衬面520的可动的部分514可被视为抛光工具，而固定的部分512可被视为工具架180的一部分。那么，图1、2和4的变型方案与图5的变型方案的区别在于，在第一种情况中，摆动轴布置在工具架的机械侧处并且在最后的情况中布置在工具架的工具侧上。

Claims

1.一种用于抛光加工在工件处的旋转对称的工件区段的周缘面的方法，在其中，在加工周缘面时，使抛光工具(100,500)利用压紧力在压靠方向(AR)上压靠待加工的所述周缘面，并且为了产生材料磨蚀，使所述工件绕工件轴(192)旋转并且在所述抛光工具与所述工件之间产生振荡的相对运动，其中，为了产生所述振荡的相对运动，使所述抛光工具沿着垂直于所述压靠方向(AR)的振荡方向(OR)以规定的振荡行程长度和振荡频率往复运动；

所述振荡运动与所述抛光工具的平行于所述工件轴伸延的在线性行程长度上的线性运动叠加，以及

所述线性运动和所述振荡运动与所述抛光工具绕垂直于所述工件轴和所述压靠方向伸延的摆动轴(SA)的摆动运动叠加，

其中，根据所述线性运动的轴向位置控制所述抛光工具的摆动位置；

在线性行程的最终阶段中，抛光工具的在线性运动的运动方向上提前的前部的端部区段比之后的后部的端部区段更靠近工件轴和/或以更高的局部压紧力压靠到周缘面处；

由此，通过所述抛光加工且同时改变由预加工得到的包络线形状而产生周缘区段，其具有全凸圆形的、柱形凸圆形的或柱形对数的轴向几何外形。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述摆动运动与所述抛光工具在压靠方向(AR)上的线性平衡运动叠加。

3.一种用于抛光加工在工件处的旋转对称的工件区段的周缘面的装置，其带有：

用于产生所述工件(190)绕工件轴(192)的旋转运动的旋转装置；

用于使抛光工具(100)如此压靠到待加工的周缘面(195)处的压紧装置，即，使所述抛光工具利用压紧力在压靠方向(AR)上压靠到所述周缘面处；以及

用于产生所述抛光工具相对于所述工件沿着垂直于所述压靠方向(AR)的振荡方向(OR)的以规定的振荡行程长度和振荡频率的振荡运动的振荡装置；

其特征在于，

用于产生与所述振荡运动叠加的、平行于所述工件轴伸延的抛光工具的线性运动的平移的机械轴(LA)；以及用于产生与所述线性运动叠加的、所述抛光工具绕垂直于工件轴和所述压靠方向伸延的摆动轴(SA)的摆动运动的旋转轴；

其中，所述装置的控制部能配置成，使得能根据所述线性运动的轴向位置控制所述抛光工具的摆动位置，从而在线性行程的最终阶段中，抛光工具的在线性运动的运动方向上提前的前部的端部区段比之后的后部的端部区段更靠近工件轴和/或以更高的局部压紧力压靠到周缘面处；

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述旋转轴是机械轴。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述平移的机械轴(LA)具有水平滑块(420)，其沿着水平的引导轨道(425)被引导并且所述滑块(420)载有旋转的所述机械轴，其包括圆形台(430)，所述圆形台(430)能相对于所述滑块(420)借助于数字控制的旋转驱动部绕水平旋转轴旋转，所述水平旋转轴相应于所述摆动轴(SA)。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述圆形台(430)载有滑块引导部(440)，其具有平移的机械轴，以沿着垂直于所述摆动轴(SA)伸延的推进方向移动所述工具架(180)，所述推进方向相应于所述压靠方向(AR)。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述旋转轴是集成到所述抛光工具(500)中的轴。