DE102007033767B4 - Method and device for processing workpiece surfaces - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur hochgenauen Bearbeitung sowohl unrunder als auch rotationssymmetrischer Innen- und Außenkonturen an rotierenden Werkstücken (7) mit folgenden Verfahrensschritten:- Erstellen einer gewünschten Werkstückkontur durch Schmieden und/oder spanende Weichbearbeitung mit einem Aufmaß (A) für die Hartbearbeitung,- Härten des Werkstücks (7)- Hartbearbeitung des Werkstücks (7) mit definierter Schneide (17) und anschließendem Schleifvorgang in einer Aufspannung dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer maximalen Vorschubgeschwindigkeit die Schneide (17) relativ zum Werkstück (7) so bewegt wird, dass die Vorschubbewegung (21) parallel oder in kleinen Winkeln zur Kante der Schneide (17) verläuft und dass die durch die Schneidenform bedingten Konturabweichungen des Werkstücks (7) durch eine Zustellbewegung ausgeglichen werden.Process for high-precision machining of both out-of-round and rotationally symmetrical inner and outer contours on rotating workpieces (7) with the following process steps: - creating a desired workpiece contour by forging and / or soft machining with an allowance (A) for hard machining, - hardening the workpiece ( 7) - Hard machining of the workpiece (7) with a defined cutting edge (17) and subsequent grinding process in one setting, characterized in that, in order to achieve a maximum feed rate, the cutting edge (17) is moved relative to the workpiece (7) in such a way that the feed movement (21 ) runs parallel or at small angles to the edge of the cutting edge (17) and that the contour deviations of the workpiece (7) caused by the cutting edge shape are compensated for by a feed movement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hochgenauen Bearbeitung gehärteter Werkstücke mit sowohl unrunden als auch rotationssymmetrischen Innen- und Außenkonturen. Bei der industriellen Serienfertigung von solchen Werkstücken, beispielsweise bei der Herstellung von Sitzen für Lager oder Dichtringe, wird das gehärtete Werkstück einer Hartdrehbehandlung unterzogen und dann geschliffen. Aus der DE 199 20 467 A1 ist eine Schleifmaschine mit Hartdreheinrichtung bekannt. Um die Vorteile des Schleifmaschinenaufbaus für die Hartdrehbearbeitung nutzen zu können, ist auf dem Schleifmaschinenbett eine Aufnahme für ein Drehwerkzeug oder einen Werkzeugrevolver vorgesehen. Auf dieser Maschine kann das Werkstück in einer Aufspannung durch Hartdrehen und Schleifen bearbeitet werden. Des Weiteren wurden beispielsweise bei der Bearbeitung von Kurbelwellen Fertigungsverfahren mit dem Ziel entwickelt, die Schleifbearbeitung völlig zu eliminieren. Die EP 1 030 755 B1 zeigt ein Verfahren, wobei im Anschluss an die spanende Bearbeitung mit bestimmter Schneide das Finishen erfolgt. Dazu ist bei der Bearbeitung mit definierter Schneide der Grad der zulässigen Abweichung von vorbestimmten Maß- und Oberflächentoleranzen unbedingt einzuhalten. Um die gewünschte Fertigungsqualität zu gewährleisten, muss der Werkzeugverschleiß genauestens überwacht und jedes einzelne Werkstück kontrolliert werden. Die DE 10 2004 026 675 B3 betrifft ein Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Flächen. Dabei wird ein Werkzeug mit einer Schneide, deren Form der Schneide eines Walzenfräsers entspricht, verwendet. Die Schneide wird dabei in einer kreisbogenförmigen Vorschubbewegung bewegt, wobei die Hauptschnittbewegung durch die Rotation des Werkstücks bewirkt wird.The invention relates to a method and a device for high-precision machining of hardened workpieces with both non-circular and rotationally symmetrical inner and outer contours. In the industrial series production of such workpieces, for example in the manufacture of seats for bearings or sealing rings, the hardened workpiece is subjected to a hard turning treatment and then ground. From the DE 199 20 467 A1 a grinding machine with a hard turning device is known. In order to be able to use the advantages of the grinding machine structure for hard turning, a holder for a turning tool or a tool turret is provided on the grinding machine bed. On this machine, the workpiece can be machined in one clamping by hard turning and grinding. Furthermore, manufacturing processes were developed for the machining of crankshafts, for example, with the aim of completely eliminating grinding machining. The EP 1 030 755 B1 shows a process in which finishing is carried out after machining with a specific cutting edge. For this purpose, when machining with a defined cutting edge, the degree of permissible deviation from predetermined dimensional and surface tolerances must be observed. In order to guarantee the desired production quality, tool wear must be closely monitored and each individual workpiece checked. The DE 10 2004 026 675 B3 relates to a method for producing rotationally symmetrical surfaces. A tool with a cutting edge, the shape of which corresponds to the cutting edge of a cylindrical milling cutter, is used. The cutting edge is moved in an arc-shaped feed movement, the main cutting movement being caused by the rotation of the workpiece.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das rasche und kostengünstige Bearbeitung gehärteter Werkstücke bei hoher Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit ermöglicht. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.The object of the invention is to provide a method that enables quick and inexpensive machining of hardened workpieces with high surface quality and dimensional accuracy. It is also an object of the invention to provide an apparatus for carrying out the method.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Werkzeugmaschine nach Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a method according to claim 1 and a machine tool according to claim 5. Advantageous developments of the invention are the subject of the subclaims.

Ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung besteht darin, die Hartbearbeitung mit definierter Schneide durch Erhöhen der Vorschubgeschwindigkeit zu beschleunigen und dadurch die Zykluszeit für die Werkstückbearbeitung zu verkürzen. Dabei wird die Werkzeugschneide für die Dauer des Eingriffs mit dem Werkstück in einer Richtung orthogonal zur Werkstückrotationsachse bewegt, so dass die Vorschubbewegung parallel oder in kleinen Winkeln zur Schneidkante verläuft. Erfindungsgemäß wird die erhöhte Vorschubgeschwindigkeit durch optimierte Auslegung der Werkzeugwinkel erreicht. Dabei waren der Anstellwinkel, also die Schneidenausrichtung relativ zur Werkstückachse, und die besonderen geometrischen Verhältnisse bei der Werkzeugbewegung orthogonal zur Werkstückrotationsachse zu berücksichtigen. Eine Schwenkbewegung des Werkzeugs relativ zum Werkstück verursacht zusätzliche Veränderungen der Einstell- und Freiwinkel. Diese sind ebenfalls in Betracht zu ziehen. Bei einem Anstellwinkel von 30° bis 60° wurde für den Keilwinkel an der Werkzeugschneide ein Bereich von 80° bis 135° ermittelt. Vorteilhafte Werte für den negativen Spanwinkel liegen im Bereich von ca. -1° bis -15° und für den Freiwinkel bei 5° bis 30°. Auf diese Weise werden derzeit Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 900 mm/min erzielt. Bei der Hartbearbeitung mit definierter Schneide wird ein minimales Schleifaufmaß so gewählt, dass unvermeidliche Geometriefehler sicher korrigiert werden können. Beim anschließenden Schleifvorgang ist der Werkzeugverschleiß durch die regelmäßigen Abrichtvorgänge leicht zu überwachen. Daher kann die gewünschte Fertigungsqualität auch mit stichprobenartigen Werkstückkontrollen sichergestellt werden. Im Vergleich zum Stand der Technik resultieren daraus erhebliche Zeit- und Kostenvorteile.An advantageous aspect of the invention consists in accelerating the hard machining with a defined cutting edge by increasing the feed rate and thereby shortening the cycle time for machining the workpiece. For the duration of the engagement with the workpiece, the tool cutting edge is moved in a direction orthogonal to the workpiece axis of rotation, so that the feed movement runs parallel to or at small angles to the cutting edge. According to the invention, the increased feed rate is achieved through an optimized design of the tool angle. The angle of incidence, i.e. the cutting edge alignment relative to the workpiece axis, and the special geometrical relationships during the tool movement orthogonal to the workpiece axis of rotation had to be taken into account. A swivel movement of the tool relative to the workpiece causes additional changes in the setting and clearance angles. These should also be taken into account. With a setting angle of 30 ° to 60 °, a range of 80 ° to 135 ° was determined for the wedge angle at the tool cutting edge. Advantageous values for the negative rake angle are in the range from approx. -1 ° to -15 ° and for the clearance angle at 5 ° to 30 °. In this way, feed speeds of up to 900 mm / min are currently achieved. For hard machining with a defined cutting edge, a minimum grinding allowance is chosen so that unavoidable geometry errors can be corrected reliably. During the subsequent grinding process, the tool wear can be easily monitored through the regular dressing processes. Therefore, the desired production quality can also be ensured with random workpiece controls. Compared to the state of the art, this results in considerable time and cost advantages.

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

  • 1 zeigt die Vorderansicht einer Werkzeugmaschine
  • 2 zeigt den Werkzeugrevolver und die Schleifspindel von oben gesehen
  • 3 zeigt den Eingriff des Werkzeugs 15 am Werkstück 7 in vergrößerter Darstellung
  • 4 zeigt das Werkzeug 7 mit den Werkzeugwinkeln in vergrößerter Darstellung
The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments.
  • 1 shows the front view of a machine tool
  • 2 shows the tool turret and the grinding spindle seen from above
  • 3 shows the engagement of the tool 15th on the workpiece 7th in an enlarged view
  • 4th shows the tool 7th with the tool angles in an enlarged view

1 zeigt eine Werkzeugmaschine 1 zur hochgenauen Bearbeitung gehärteter Werkstücke 7 mit sowohl unrunden als auch rotationssymmetrischen Innen- und Außenkonturen, wobei nicht erfindungswesentliche Details des Antriebs, der Steuerung und des Gehäuses nicht dargestellt sind. Die Werkstücke 7 werden in der Werkstückhaltevorrichtung 6, bestehend aus der Werkstückspindel 8 und dem Reitstock 9 eingespannt und in Rotation versetzt. Am Maschinengestell 2 sind vertikale Führungen 3 für die beiden Vertikalschlitten 4, 4' vorgesehen. Diese tragen ihrerseits Führungen 12 für die Horizontalschlitten 5, 5'. Im Horizontalschlitten 5 ist der Werkzeugrevolver 10 um eine Schwenkachse 13 drehbar gelagert. Der zweite Horizontalschlitten 5' nimmt die Schleifspindel 11 mit der Schleifscheibe 16 auf. 1 shows a machine tool 1 for high-precision machining of hardened workpieces 7th with both non-circular and rotationally symmetrical inner and outer contours, with details of the drive, the control and the housing not being shown that are not essential to the invention. The work pieces 7th are in the workpiece holding device 6th , consisting of the workpiece spindle 8th and the tailstock 9 clamped and set in rotation. On the machine frame 2 are vertical guides 3 for the two vertical slides 4th , 4 ' intended. These in turn carry guides 12 for the horizontal slide 5 , 5 ' . In the horizontal slide 5 is the tool turret 10 around a pivot axis 13th rotatably mounted. The second horizontal slide 5 ' takes the grinding spindle 11 with the grinding wheel 16 on.

2 zeigt den Werkzeugrevolver 10 und die Schleifspindel 11 in der Sicht von oben. Durch eine Schwenkbewegung des Werkzeugrevolvers 10 um die Schwenkachse 13 wird das Werkzeug 15 mit der Schneide 17 mit dem Werkstück 7 in Eingriff gebracht. Dabei werden die durch die Schneidenform bedingten Konturabweichungen des Werkstücks 7 durch eine Zustellbewegung des Horizontalschlittens 5 entlang der Führungen 12 ausgeglichen. 2 shows the tool turret 10 and the grinding spindle 11 in the view from above. By swiveling the tool turret 10 around the pivot axis 13th becomes the tool 15th with the edge 17th with the workpiece 7th engaged. The contour deviations of the workpiece caused by the shape of the cutting edge are thereby taken into account 7th by an infeed movement of the horizontal slide 5 along the guides 12 balanced.

Anschließend wird das Werkstück 7 in der gleichen Aufspannung durch die Schleifscheibe 16 einer Schleifbehandlung unterzogen. Durch die regelmäßigen Abrichtvorgänge ist der Verschleiß der Schleifscheibe 16 leicht zu überwachen. Daher reicht eine stichprobenartige Werkstückkontrolle zur Sicherstellung der Fertigungsqualität aus.Then the workpiece 7th in the same clamping by the grinding wheel 16 subjected to a grinding treatment. The regular dressing processes reduce wear on the grinding wheel 16 easy to monitor. Therefore, a random inspection of the workpiece is sufficient to ensure production quality.

Aus 3 ist der Eingriff des Werkzeugs 15 am Werkstück 7 ersichtlich. Die Schneide 17 ist unter dem Anstellwinkel ε gegen die Werkstückrotationsachse 19 geneigt. Sie wird während des Eingriffs in der Bewegungsrichtung 20 orthogonal zur Werkstückrotationsachse 19 bewegt. Aus dieser und der Rotationsbewegung 22 des Werkstücks 7 resultierend verläuft die Vorschubbewegung 22 parallel zur Schneide 17 oder in kleinen Winkeln dazu. Zur besseren Übersicht ist in 4 das Werkzeug 7 mit den Werkzeugwinkeln vergrößert dargestellt. Die Schneide 17 wird definiert durch den Keilwinkel β und den Spanwinkel γ. Als vorteilhafte Werte für den Keilwinkel β wurde ein Bereich von 80° bis 135° und für den negativen Spanwinkel γ ein Bereich von minus 1° bis minus 15° ermittelt. Der Freiwinkel α bewegt sich vorteilhafterweise in einem Bereich zwischen 5° und 30°. Freiwinkel α, Keilwinkel β und Einstellwinkel χ ergänzen sich jeweils zu 180°; d.h. wenn zwei dieser Winkel festgelegt wurden, ergibt sich der Dritte aus der Differenz zu 180°. Besonders komplexe Zusammenhänge ergeben sich, wenn Frei- und Einstellwinkel während des Werkstückeingriffs variieren, weil das Werkzeug 7 um die Schwenkachse 13 geschwenkt wird. Mit den optimierten Werkzeugwinkeln kann die Vorschubgeschwindigkeit auf Werte von bis zu 900 mm/min gesteigert werden.Out 3 is the engagement of the tool 15th on the workpiece 7th evident. The cutting edge 17th is under the angle of attack ε against the workpiece rotation axis 19th inclined. It will move in the direction of movement during the procedure 20th orthogonal to the workpiece rotation axis 19th emotional. From this and the rotational movement 22nd of the workpiece 7th the result is the feed movement 22nd parallel to the cutting edge 17th or at small angles. For a better overview, in 4th the tool 7th shown enlarged with the tool angles. The cutting edge 17th is defined by the wedge angle β and the rake angle γ . As advantageous values for the wedge angle β became a range from 80 ° to 135 ° and for the negative rake angle γ a range from minus 1 ° to minus 15 ° is determined. The clearance angle α advantageously moves in a range between 5 ° and 30 °. Clearance angle α , Wedge angle β and setting angle χ each add up to 180 °; ie if two of these angles have been specified, the third is the difference to 180 °. Particularly complex relationships arise when the clearance and setting angles vary during workpiece engagement because the tool 7th around the pivot axis 13th is pivoted. With the optimized tool angles, the feed rate can be increased to values of up to 900 mm / min.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
WerkzeugmaschineMachine tool
22
MaschinengestellMachine frame
33
Führungguide
44th
4' Vertikalschlitten4 'vertical slide
55
5' Horizontalschlitten5 'horizontal slide
66th
WerkstückhaltevorrichtungWorkpiece holding device
77th
Werkstückworkpiece
88th
WerkstückspindelWorkpiece spindle
99
ReitstockTailstock
1010
WerkzeugrevolverTool turret
1111
SchleifspindelGrinding spindle
1212
Führungguide
1313
SchwenkachseSwivel axis
1414th
RotationsachseAxis of rotation
1515th
WerkzeugTool
1616
SchleifscheibeGrinding wheel
1717th
SchneideCutting edge
1818th
AbrichtgerätDressing device
1919th
WerkstückrotationsachseWorkpiece rotation axis
2020th
BewegungsrichtungDirection of movement
2121st
VorschubbewegungFeed movement
2222nd
RotationsbewegungRotational movement
AA.
AufmaßMeasurement
αα
FreiwinkelClearance angle
ββ
KeilwinkelWedge angle
εε
AnstellwinkelAngle of attack
γγ
SpanwinkelRake angle
κκ
EinstellwinkelSetting angle

Claims (6)

Verfahren zur hochgenauen Bearbeitung sowohl unrunder als auch rotationssymmetrischer Innen- und Außenkonturen an rotierenden Werkstücken (7) mit folgenden Verfahrensschritten: - Erstellen einer gewünschten Werkstückkontur durch Schmieden und/oder spanende Weichbearbeitung mit einem Aufmaß (A) für die Hartbearbeitung, - Härten des Werkstücks (7) - Hartbearbeitung des Werkstücks (7) mit definierter Schneide (17) und anschließendem Schleifvorgang in einer Aufspannung dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer maximalen Vorschubgeschwindigkeit die Schneide (17) relativ zum Werkstück (7) so bewegt wird, dass die Vorschubbewegung (21) parallel oder in kleinen Winkeln zur Kante der Schneide (17) verläuft und dass die durch die Schneidenform bedingten Konturabweichungen des Werkstücks (7) durch eine Zustellbewegung ausgeglichen werden.Process for high-precision machining of both out-of-round and rotationally symmetrical inner and outer contours on rotating workpieces (7) with the following process steps: - Creating a desired workpiece contour by forging and / or soft machining with an allowance (A) for hard machining, - Hardening the workpiece ( 7) - Hard machining of the workpiece (7) with a defined cutting edge (17) and subsequent grinding process in one setting, characterized in that, in order to achieve a maximum feed rate, the cutting edge (17) is moved relative to the workpiece (7) in such a way that the feed movement (21 ) runs parallel or at small angles to the edge of the cutting edge (17) and that the contour deviations of the workpiece (7) caused by the cutting edge shape are compensated for by a feed movement. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Hartbearbeitung mit definierter Schneide (17) der Einstellwinkel (χ) und der Freiwinkel (α) durch eine Schwenkbewegung des Werkzeugs (15) um die Schwenkachse (13) verändert werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that during hard machining with a defined cutting edge (17) the setting angle (χ) and the clearance angle (α) are changed by a pivoting movement of the tool (15) about the pivot axis (13). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Relativbewegung zwischen Werkzeug (15) und Werkstück (7) der Einstellwinkel (χ) innerhalb eines Bereichs von 40° bis 100° der Freiwinkel (α) innerhalb eines Bereichs von 5° bis 30° variiert. Procedure according to Claim 2 , characterized in that the relative movement between the tool (15) and the workpiece (7) causes the setting angle (χ) to vary within a range of 40 ° to 100 ° and the clearance angle (α) to vary within a range of 5 ° to 30 °. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Fertigungsqualität die Werkstücke (7) stichprobenweise vermessen werden.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the workpieces (7) are measured randomly to monitor the manufacturing quality. Werkzeugmaschine zur Bearbeitung sowohl unrunder als auch rotationssymmetrischer Innen- und Außenkonturen an einem rotierenden Werkstück (7), mit wenigstens einem Werkzeug (15) mit ebener Schneide (17), wobei die Schneide (17) zur Durchführung einer Vorschubbewegung in einer Richtung orthogonal zur Werkstückrotationsachse (19) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel (β) in einem Bereich von 80° bis 135° liegt, dass der Anstellwinkel (ε) zwischen Schneide (17) und Werkstückrotationsachse (19) in einem Bereich zwischen 30° bis 60° liegt und dass zur Schleifbearbeitung eine Schleifspindel (11) vorgesehen ist.Machine tool for machining both non-circular and rotationally symmetrical inner and outer contours on a rotating workpiece (7), with at least one tool (15) with a flat cutting edge (17), the cutting edge (17) for performing a feed movement in a direction orthogonal to the workpiece axis of rotation (19) is movable, characterized in that the wedge angle (β) is in a range from 80 ° to 135 °, that the setting angle (ε) between the cutting edge (17) and the workpiece rotation axis (19) in a range between 30 ° to 60 ° and that a grinding spindle (11) is provided for grinding. Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass, dass der Spanwinkel (γ) in einem Bereich von minus 1° bis minus 15° liegt.Machine tool after Claim 5 , characterized in that the rake angle (γ) is in a range from minus 1 ° to minus 15 °.
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