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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur automatischen Feinstbearbeitung von Oberflächen, bei
denen ein nicht endloses Schleifmittel auf Unterlage über ein
Stützelement
geführt
und mit einer zu bearbeitenden Oberfläche in Kontakt gebracht wird,
wobei die Feinstbearbeitung durch Erzeugen einer oszillierenden
Bewegung des Schleifmittels auf Unterlage im Kontaktbereich mit
der Oberfläche
erfolgt, sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
9. Das Verfahren und die Vorrichtung finden insbesondere Anwendung
bei der Nachbearbeitung von Oberflächen im Werkzeug- und Formenbau.
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In vielen Bereichen der Fertigungstechnik
ist eine Nachbearbeitung der Oberflächen der hergestellten Bauteile
erforderlich, um Bearbeitungsspuren der vorangegangenen Bearbeitungsschritte
zu beseitigen. So weisen beispielsweise Oberflächen, die durch Fräsen bearbeitet
wurden, eine hohe Rauheit auf, die insbesondere im Bereich des Werkzeug-
und Formenbaus verringert werden muss.
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Für
die hierfür
erforderliche Nachbearbeitung der Oberflächen sind verschiedene Verfahren
bekannt. Weit verbreitet ist die manuelle Nachbearbeitung der Oberflächen durch
Schleifen sowie durch Polieren mit einer Polierpaste.
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Die manuelle Nachbearbeitung ist
jedoch sehr personalintensiv und nicht definiert reproduzierbar.
Die erreichbare Oberflächengüte sowie
die Maß-
und Formgenauigkeit hängen
wesentlich von den Fähigkeiten des
jeweiligen Werkers ab.
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Gerade für großflächige Bauteile kann die Nachbearbeitung
durch Roboter oder andere Handhabungsgeräte auch automatisiert erfolgen.
Die bisher bekannten automatisierten Verfahren lassen sich jedoch nur
einsetzen, wenn eine ausreichende Zugänglichkeit zu den jeweiligen
Oberflächenbereichen
gegeben ist, wie beispielsweise bei Gesenken und Großformen.
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Formen und Werkzeuge, die auch Kavitäten oder
geringe Radien enthalten, bei denen eine Feinstbearbeitung erforderlich
ist, können
mit den bisher aus der Praxis bekannten automatisierten Verfahren
jedoch nicht bearbeitet werden.
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Aus der Veröffentlichung „Superfinishen
erhöht
die Oberflächengüte" in: Industrieanzeiger,
108 Jg., Nr. 26 v. 1.4. 1986, Seite 41, sind ein Verfahren sowie
eine Vorrichtung zur Verbesserung der Güte der Oberfläche von
Werkstücken
wie Dicht- und Lagerstellen, Kolbenstangen und Walzen bekannt, bei
denen ein sog. „Superfinish"-Stein auf ein umlaufendes
Werkstück
gedrückt
wird. Gleichzeitig oszilliert der Stein in kurzen Längshüben parallel
zur Werkstückoberfläche in axialer
Richtung, d. h. senkrecht zur Drehbewegung des Werkstücks. Das
beschriebene Superfinish-Verfahren wird durchgeführt, nachdem die entsprechenden
Werkstücke
durch Schleifen oder Drehen vorbereitet worden sind.
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In der WO 92/05013 wird ein Schleifapparat
beschrieben, der mittels eines bewegbaren Schleifarmes ein Werkstück bearbeiten
kann, das sich auf einem rotierenden Teller befindet. Hierbei wird
ein endloses Schleifmittel auf Unterlage über ein Stützelement geführt. Das
Stützelement
wird während
der Bearbeitung bewegt, um alle Bereiche des rotierenden Werkstückes im
Laufe der Bearbeitung erreichen zu können. Durch die Rotation des
Werkstücks
werden die erforderlichen Schnittgeschwindigkeiten für die Bearbeitung
erzielt.
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In der
DE 100 02 477 A1 wird eine
Randschleifvorrichtung für
den Mundrand eines keramisches Gefäßes beschrieben. Um den Mundrand,
z. B. einer Tasse, zu bearbeiten, wird die Tasse in eine Einspannvorrichtung
eingespannt und relativ zum Schleifwerkzeug gedreht. Als Schleifwerkzeug
kann beispielsweise ein über
einen Werkzeugkopf geführtes
endloses Schleifband eingesetzt werden. Der Werkzeugkopf mit dem Schleifwerkzeug
ist derart schwenkbar an der Werkzeugbasis gelagert, dass er in
eine um den Mundrand der Tasse oszillierende Pendelbewegung versetzt
werden kann, während
die Tasse gleichzeitig gedreht wird.
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Die
DE 198 29 690 A1 zeigt eine Feinstbearbeitungsvorrichtung
mit einem Schleifmittel auf Unterlage, mit dem rechtwinklig zueinander
verlaufende Eckbereiche der Bauteile feinstbearbeitet werden können. Die Vorrichtung
weist einen Zufuhrmechanismus zum Zuführen und Aufwickeln des Schleifmittels
auf Unterlage auf sowie eine Andruckrolle auf, über die das Schleifmittel auf
Unterlage geführt
und gegen die zu bearbeitende Oberfläche gedrückt wird. Während der Bearbeitung wird
die Andruckrolle quer zur Längsrichtung
des Schleifmittels auf Unterlage mit einer oszillierenden Bewegung
beaufschlagt, wodurch die Feinstbearbeitung ermöglicht wird. Durch ein speziell
ausgebildetes Führungselement
wird das Schleifmittel auf Unterlage zwischen der Zufuhreinrichtung
und der Andruckrolle um 90° umgelenkt,
so dass eine bessere Zugänglichkeit
von Eckbereichen mit dem Schleifmittel auf Unterlage gegeben ist.
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Auch diese Vorrichtung eignet sich
jedoch nicht für
die Feinstbearbeitung von kleineren Kavitäten oder geringen Radien.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine
Vorrichtung zur automatischen Feinstbearbeitung von Oberflächen anzugeben,
die auch eine Bearbeitung von kleinen Kavitäten und Radien ermöglichen
und zudem automatisiert eingesetzt werden können.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit den Verfahren
und der Vorrichtung gemäß den Merkmalen
der Patentansprüche 1,
2 und 3 bzw. 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren und der Vorrichtung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei den vorliegenden Verfahren zur
automatischen Feinstbearbeitung von Oberflächen wird ein nicht endloses
Schleifmittel auf Unterlage mit einer Nachstellbewegung über ein
speziell ausgebildetes Stützelement
geführt
und mit Hilfe des Stützelementes
mit der zu bearbeitenden Oberfläche
in Kontakt gebracht. Das vorzugsweise fingerförmig ausgebildete Stützelement
ist hierbei so dimensioniert, dass es in die zu bearbeitenden Kavitäten bzw.
Radien eingeführt
werden kann. Die Feinstbearbeitung erfolgt durch Erzeugen einer
oszillierenden Bewegung des Schleifmittels auf Unterlage in Längsrichtung,
d. h. parallel zu dessen Laufrichtung, im Kontaktbereich mit der
Oberfläche.
Durch diese oszillierende Bewegung werden die beim Schleifen üblichen
Schnittgeschwindigkeiten gegenüber
dem Werkstück
erreicht, ohne das Werkstück
selbst bewegen zu müssen.
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Die Nachstellbewegung, mit der das
Schleifmittel auf Unterlage über
das Stützelement
geführt
wird, dient lediglich dem Weitertransport verbrauchten Schleifmittels
auf Unterlage. Die Nachstellbewegung erfolgt vorzugsweise kontinuierlich,
kann jedoch selbstverständlich
auch schrittweise durchgeführt
werden.
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Das Schleifmittel auf Unterlage wird
vorzugsweise direkt mit dem Stützelement
gegen den zu bearbeitenden Oberflächenbereich gedrückt. Gerade
zur Bearbeitung von Randbereichen der Kavitäten ist es jedoch auch denkbar,
einen Bereich, in dem das Schleifmittel auf Unterlage zwischen dem
Stützelement
und der Zuführung
frei verläuft,
mit dem Stützelement
gegen die Oberfläche
zu spannen, um den entsprechenden Kontakt zur Bearbeitung herzustellen.
Das Schleifmittel auf Unterlage wird auch in diesem Falle mit einer
oszillierenden Bewegung in seiner Längsrichtung beaufschlagt.
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Mit den vorliegenden Verfahren und
der zugehörigen
Vorrichtung lässt
sich eine automatisierte Endbearbeitung bzw. Finishbearbeitung von
Bauteilen realisieren, die insbesondere bei Formen und Werkzeugen mit
Kavitäten
und kleinen Radien im Werkzeug- und Formenbau erhebliche Vorteile
bietet. Das mit den Verfahren erzielte Arbeitsergebnis ist definiert
und reproduzierbar. Durch die Oszillationsbewegung des Schleifmittels
auf Unterlage parallel zu seiner Laufrichtung wird nur sehr wenig
oder kein zusätzlicher
Bewegungsraum an der Bearbeitungsstelle beansprucht.
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Durch die oszillierende Bewegung
des Schleifmittels auf Unterlage auf dem Stützelement wird kein zusätzlicher
Bewegungraum für
diese zur Bearbeitung erforderliche Oszillationsbewegung am Bearbeitungsort benötigt. Durch
entsprechend kleine Dimensionierung des Stützelementes – und eine
schmale Ausführung
des Schleifmittels auf Unterlage – lassen sich auf diese Weise
sehr geringe Radien bearbeiten, wie sie beispielsweise im Spritzgussformenbau
auftreten.
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Die Vorrichtung kann beispielsweise
in eine Mehrachsenmaschine, ein Bearbeitungszentrum, oder eine Fräsmaschine
integriert werden. Durch eine derartige Ausgestaltung können Teile
der Maschine mitgenutzt und vorhandene Steuerungsdaten eingesetzt
werden. Die Integration in ein Bearbeitungszentrum bietet die Möglichkeit,
eine Komplettbearbeitung aus dem rohen Block bis zur fertigen Form
durchzuführen.
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Durch die Verfahren und die zugehörige Vorrichtung
kann die Herstellung von Werkzeugen und Formen technologisch und
wirtschaftlich optimiert werden. Eine derartige Optimierung ist
bisher nicht möglich,
da die bekannten automatisierten Techniken keine Bearbeitung kleiner
Strukturen erlauben.
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Die oszillierende Bewegung des Schleifmittels
auf Unterlage wird in einer Verfahrensalternative über eine
entsprechende Steuerung von Aufwickel- und Abwickelrollen für das Schleifmittel
auf Unterlage realisiert.
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In einer weiteren Verfahrensalternative
wird die oszillierende Bewegung durch eine oder mehrere Umlenkelemente
für das
Schleifmittel auf Unterlage erzeugt, die in geeigneter Weise eine
oszillierende Bewegung durchführen
und damit den Weg des Schleifmittels auf Unterlage von der Auf-
bzw. Abwickelrolle bis zum Stützelement
oszillierend vergrößern und
verkleinern.
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In einer weiteren Verfahrensalternative
wird die oszillierende Bewegung des Schleifmittels auf Unterlage
auf dem Stützelement
durch einen Exzenter erzeugt, an dem das Schleifmittel auf Unterlage
sowohl auf dem Weg zum Stützelement
als auch zurück
anliegt. Durch die Bewegung dieses Exzenters wird dem Schleifmittel
auf Unterlage wiederum eine oszillierende Geschwindigkeitskomponente
in Längs-
bzw. Laufrichtung aufgeprägt.
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In einer Ausführungsform wird zusätzlich zu
der oszillierenden Bewegung in Längsrichtung
eine oszillierende Bewegung quer zur Längsrichtung des Schleifmittels
auf Unterlage durchgeführt.
Auf diese Weise wird eine Finish-Bearbeitung realisiert, wie sie
von Kurzhubbandhonverfahren bekannt ist.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des
vorliegenden Verfahrens besteht zumindest aus einem Stützelement,
einer Auf- und einer Abwickelrolle für ein nicht endloses Schleifmittel
auf Unterlage sowie zumindest einem Antrieb für die Auf- und Abwickelrolle
zur Bewegung des Schleifmittels auf Unterlage über das Stützelement. Selbstverständlich sind
hierbei auch geeignete Führungen
für das
Schleifmittel auf Unterlage und gegebenenfalls Umlenkelemente vorgesehen.
Die Vorrichtung umfasst eine Einrichtung zur Erzeugung einer parallel
zu einer Laufrichtung oszillierenden Bewegung des Schleifmittels
auf Unterlage auf dem Stützelement. Das
Stützelement
selbst ist, vorzugsweise austauschbar, an einem entsprechenden Träger befestigt.
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Die Einrichtung zur Erzeugung der
oszillierenden Bewegung wird vorzugsweise durch eine Steuerung realisiert,
die den Antrieb von Auf- und Abwickelrolle für das Schleifmittel auf Unterlage
zur Erzeugung dieser der Nachstellbewegung überlagerten Bewegung ansteuert.
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In weiteren Ausführungsformen kann die Einrichtung
auch als Antrieb für
die Erzeugung einer oszillierenden Bewegung von ein oder mehreren
Umlenkrollen oder durch einen Exzenter realisiert werden, über den das
Schleifmittel auf Unterlage geführt
wird.
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Das vorliegende Verfahren und die
zugehörige
Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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1 einen
schematischen Aufbau gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Vorrichtung;
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2 ein
Beispiel für
den Verlauf der Bewegung des Schleifmittels auf Unterlage;
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3 ein
Ausführungsbeispiel
für die
Erzeugung der oszillierenden Bewegung des Schleifmittels auf Unterlage;
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4 ein
weiteres Beispiel für
die Erzeugung der oszillierenden Bewegung des Schleifmittels auf
Unterlage; und
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5 Beispiele
für Ausgestaltungen
des Stützelementes.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
ein Beispiel für
den möglichen
schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein nicht endloses Schleifmittel auf Unterlage 1, im Folgenden
auch als Schleiffilm bezeichnet, wird über ein Stützelement 2 geführt. Je
nach Aufbau der Vorrichtung kann es erforderlich sein, den Schleiffilm 1 über ein
oder mehrere Umlenkelemente 3 zu führen. Der Schleifilm 1 wird
von einer Abwickelrolle 4 abgewickelt und auf einer Aufwickelrolle 5 wieder
aufgewickelt. Der Antrieb für
die Auf- und Abwickelrolle 4, 5 sind in dieser
Figur nicht dargestellt. Das Stützelement 2 ist
in diesem Beispiel fingerförmig
ausgestaltet und mit einem nicht dargestellten Träger verbunden.
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Während
der Feinstbearbeitung oszilliert der Schleiffilm 1 mit
hoher Geschwindigkeit in Schleiffilmlängsrichtung im Folgenden als
Längsoszillationsgeschwindigkeit
vl bezeichnet. Diese Oszillationsbewegung dient
der Erzeugung einer in Schleifrichtung liegenden Schnittgeschwindigkeit,
die schleifüblichen
Schnittgeschwindigkeiten möglichst
nahe kommen soll. Unabhängig
von der Art der Oszillation kann diese mit einer Frequenz erfolgen,
die bis in den Bereich des Ultraschalls geht. Die Geschwindigkeit
der Längsoszillation
ist im linken Teil der Figur mit dem Pfeil vl angedeutet.
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Der Oszillation überlagert wird der Schleiffilm 1 in
diesem Beispiel mit geringer Geschwindigkeit zur Verschleißkompensation
stetig oder intermittierend weiterbewegt. Diese Bewegun wird im
Folgenden als Schleiffilmnachstellgeschwindigkeit vn bezeichnet.
Durch die Überlagerung
der beiden Bewegungen, der Schleiffilmnachstellbewegung und der
Längsoszillation,
ergibt sich eine Schleiffilmbewegung im Pilgerschrittverfahren,
deren Verlauf in 2 skizziert
ist.
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Im rechten Teil der 1, in der eine Seitenansicht der Anordnung
des linken Teils dargestellt ist, wird zusätzlich eine Oszillation quer
zur Schleiffilmlänge,
im Folgenden Queroszillationsgeschwindigkeit genannt, angedeutet.
Diese optionale Queroszillation kann der Längsoszillation überlagert werden,
um eine bestimmte Oberflächenqualität zu erreichen.
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Die 2 zeigt
auf der linken Seite (i) die Einzelbewegungen, d. h. die Nachstellbewegung
mit der Geschwindigkeit vn sowie die Längsoszillation
des Schleiffilms 1 mit der Geschwindigkeit vl.
Im rechten Teil (ii) der Figur sind die überlagerten Bewegungen dargestellt.
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Die Längsoszillation des Schleiffilms 1 kann
steuerungstechnisch oder über
die oszillierende Bewegung eines oder mehrerer Umlenkelemente 3 erfolgen.
Bei der Realisierung eines Umlenkelementes als Exzenter 6 erfolgt
die Längsoszillation
durch die horizontale Oszillationsbewegung des Exzenters 6,
wie in 3 in drei Momentaufnahmen
zu erkennen ist. Auf- und Abwickelrolle 4, 5 erzeugen
die lineare Nachstellung mit der Geschwindigkeit vn.
Der Schleiffilm 1 muss sowohl in neutraler Stellung als
auch in ausgelenkter Position des Exzenters 6 an beiden
Seiten des Exzenters anliegen. Auf- und Abwickelrolle 4, 5 müssen bei
dieser Ausführungsform
so ausgelegt sein, dass die Oszillationsbewegung des Schleiffilmes 1 die
lineare Nachstellbewegung nicht beeinflusst.
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In 3a ist
der Exzenter 6 in einer Position kurz vor dem linken Umkehrpunkt
zu erkennen, bei der der Schleiffilm 1 am unteren Ende des Stützelementes 2 mit
der Geschwindigkeit vn – vl (wobei
vl > vn) in Richtung der Abwickelrolle 4 bewegt
wird (durch den Pfeil angedeutet).
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In 3b befindet
sich der Exzenter 6 symmetrisch zwischen den beiden Bahnbereichen
des Schleif filmes 1, die zwischen den Umlenkelementen 3 und
dem Ende des Stützelementes 2 verlaufen.
Dies entspricht der neutralen Ausgangsstellung des Exzenters 6,
bei dem sich der Schleiffilm 1 mit der Schleiffilmnachstellgeschwindigkeit
vn über
das Ende des Stützelementes 2 bewegt.
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3c zeigt
schließlich
den Exzenter 6 in einer Position kurz vor dem rechten Umkehrpunkt,
bei der der Schleiffilm 1 am Ende des Stützelementes 2 mit
der Geschwindigkeit vn + vl in
Richtung der Aufwickelrolle 5 bewegt wird (durch den Pfeil
angedeutet).
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erzeugung
einer derartigen Längsoszillation
mit einer überlagerten
Nachstellbewegung ist die steuerungstechnische Realisierung durch
entsprechende Ansteuerung der Auf- und Abwickelrollen 4, 5 zur
Realisierung einer oszillierenden Drehbewegung. Bei diesem Beispiel,
das in 4 dargestellt
ist, wird die Schleiffilmnachstellbewegung dadurch realisiert, dass
die Abwickelstrecke a1 + b an der Abwickelrolle 4 länger ist
als die rückführende Aufwickelstrecke
a1 an dieser Rolle. Die Schleiffilmnachstellbewegung
wird durch den Längenunterschied
zwischen Auf- und Abwickelstrecke an der Abwickelrolle 4 – und in
gleicher Weise an der Aufwickelrolle 5 – bestimmt. Eine derartige
Bewegung kann durch Steuerung der Antriebe für Auf- und Abwickelrolle 4, 5 durchgeführt werden.
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Eine zusätzliche Queroszillation kann über die
Bewegung eines Umlenkelementes 3 oder von Teilen hiervon
erzeugt werden.
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Das Stützelement 2 ist vorzugsweise
austauschbar ausgestaltet, um unterschiedliche Geometrien von Werkstückoberflächen bearbeiten
zu können. 5 zeigt von links nach rechts
verschiedene Beispiele für mögliche Ausführungsformen
der Enden bzw. Spitzen von Stützelementen 2 in
Vorder- und Seitenansicht. In der linken Ausführungsform ist das Ende des
Stützelementes 2 sehr
schmal mit einem sehr kleinen Radius ausgeführt, um kleine Kavitäten und
Radien bearbeiten zu können.
Daneben ist ein rechteckig ausgeführtes Stützelement 2 zu erkennen,
das beispielsweise die Bearbeitung ebensolcher Kavitäten mit
entsprechenden rechtwinkligen Ecken ermöglicht. Zur Bearbeitung von
doppelt gekrümmten
Flächen
kann das Stützelement 2 auch
ballig ausgeführt
sein, wie dies im mittleren Teil der 5 zu
erkennen ist. Eine runde Ausführungsform des
Endes des Stützelementes 2 ist
daneben dargestellt. Das Ende des Stützelementes 2 kann
auch als Rolle ausgeführt
und damit drehbar gelagert sein, wie dies auf der rechten Seite
der 5 zu erkennen ist.
Die anderen gezeigten Beispiele stellen feststehende Stützelemente 2 ohne
bewegliche Teile dar. Die Länge
des Stützelementes 2 kann
je nach Werkstück
variieren.
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Die Bearbeitung mit dem Schleiffilm
erfolgt entweder direkt am Ende des Stützelementes 2, indem
dieses gegen das Werkstück
gedrückt
wird, oder an dem Teil des Schleiffilmes 1, der frei zwischen
Umlenkelementen 3 und dem Stützelement 2 verläuft. Im
zweiten Fall werden die Normalkräfte
durch die Schleiffilmspannung aufgenommen.
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Die Dimensionierung der vorliegenden
Vorrichtung, insbesondere des Stützelementes 2 und
des Schleiffilmes
1 ist derart gewählt, dass auch kleine Kavitäten, wie
sie im Spritzgussformenbau auftreten, bearbeitet werden können. Hierbei
kann es auch von Vorteil sein, mit Schleiffilmen unterschiedlicher
Spezifikation zu arbeiten. Durch geeignete Ausgestaltung der Vorrichtung
können
diese automatisch gewechselt und in Eingriff gebracht werden.
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Selbstverständlich lassen sich beim vorliegenden
Bearbeitungsprozess auch Kühlschmiermittel
einsetzen. Diese können
entweder direkt über
das Stützelement 2,
d. h. über
entsprechende im Stützelement 2 vorgesehene
Kanäle,
oder extern zugeführt
werden.
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Die vorliegende Vorrichtung kann
in eine Mehrachsenmaschine oder -vorrichtung integriert werden. Die
definierte Nachstellbewegung des Stützelementes über die
zu bearbeitende Fläche
ermöglicht
eine CNC-gesteuerte
automatisierte Endbearbeitung. Bei mehr als drei Achsen kann eine
automatische Orientierung des Stützelementes
zur Oberfläche
des Werkstücks
erfolgen. Weiterhin kann die vorliegende Vorrichtung auch in eine
Fräsmaschine
oder ein Bearbeitungszentrum integriert werden.
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Das vorliegende Verfahren und die
zugehörige
Vorrichtung lassen sich einerseits automatisieren und andererseits
derart miniaturisieren, dass auch kleine Kavitäten, wie sie im Spritzguss-
und Blasformenbau Verwendung finden, eingesetzt werden können. Die
Eigenschaften wie z. B. Geometrie oder Nachgiebigkeit des Stützelementes
können
an den jeweiligen Bearbeitungsfall angepasst werden. Durch Integration
in Fräsmaschinen
oder Bearbeitungszentren lässt
sich die Bearbeitung in einer Aufspannung durchführen.
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