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Anordnung,
Werkzeug und Verfahren zum spanabhebenden Herstellen eines Kugelsegments an
einem Werkstück und Vorrichtung Die Erfindung betrifft
eine Anordnung und ein Werkzeug zum spanabhebenden Herstellen eines
Kugelsegments mit einem vorgegebenen Radius an einem Werkstück
und ein Verfahren zum spanabhebenden Herstellen eines Kugelsegments
an einem Werkstück. Ferner betrifft die Erfindung eine
Vorrichtung.
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Die
DE 10 2006 007 787
A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum spanabhebenden Herstellen
einer kalottenförmigen Ausnehmung in einem Werkstück,
das eine Werkstückachse aufweist, die die Zentralachse
der herzustellenden kalottenförmigen Ausnehmung ist, mit
einer Einspannvorrichtung, in die das Werkstück einspannbar
ist, und einem spanabhebenden Werkzeug, das um eine Werkzeugachse
rotierend antreibbar gelagert ist. Die Werkstückachse und
die Werkzeugachse sind zueinander geneigt, und zwar derart, dass
ein Zentralbereich des Werkzeugs um die Werkzeugachse an einem freien
axialen Endbereich des Werkzeugs bei dem bestimmungsgemäßen
Herstellen außer Eingriff mit dem Werkstück ist
und die Einspannvorrichtung um die Werkstückachse rotierend
antreibbar gelagert ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung, ein Werkzeug und ein
Verfahren zum spanabhebenden Herstellen eines Kugelsegments an einem Werkstück
zu schaffen, mit der beziehungsweise dem das Kugelsegment an dem
Werkstück geometrisch präzise herstellbar ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einem
ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Anordnung
zum spanabhebenden Herstellen eines Kugelsegments mit einem vorgegebenen
Radius an einem Werkstück, die ein Werkzeug und eine Vorrichtung
mit einer ersten Einspannvorrichtung und einer zweiten Einspannvorrichtung
umfasst. Das Werkzeug weist einen Bearbeitungsbereich auf, der konkav
ausgebildet ist und eine konstante Krümmung mit dem vorgegebenen Radius
als Krümmungsradius aufweist. Die erste Einspannvorrichtung
ist ausgebildet zum Einspannen und zum Rotieren des Werkzeugs um
seine Werkzeugachse. Die zweite Einspannvorrichtung ist ausgebildet
zum Einspannen und zum Rotieren des Werkstücks um seine
Werkstückachse. Die erste Einspannvorrichtung und die zweite
Einspannvorrichtung sind relativ zueinander beweglich ausgebildet
und die Werkstückachse und die Werkzeugachse sind zueinander
um einen vorgegebenen Anstellwinkel geneigt und zwar derart, dass
ein Zentralbereich um die Werkzeugachse an einem freien axialen
Endbereich des Werkzeugs bei einem bestimmungsgemäßen
Herstellen des Kugelsegments außer Eingriff mit dem Werkstück
ist. Dies ermöglicht ein präzises und reproduzierbares
Herstellen des Kugelsegments mit geringer Rauheit der Oberfläche
auf dem Werkstück durch eine gleich bleibend hohe Schnittgeschwindigkeit
des Werkzeugs auf dem Werkstück.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Anordnung
zum spanabhebenden Herstellen eines Kugelsegments mit einem vorgegebenen
Radius an einem Werkstück, die ein Werkzeug und eine Vorrichtung
mit einer ersten Einspannvorrichtung, einer zweiten Einspannvorrichtung
und einer Verstelleinrichtung umfasst. Die erste Einspannvorrichtung ist
ausgebildet zum Einspannen und zum Rotieren des Werkzeugs um seine
Werkzeugachse. Die zweite Einspannvorrichtung ist ausgebildet zum
Einspannen und zum Rotieren des Werkstücks um seine Werkstückachse.
Die erste Einspannvorrichtung und die zweite Einspannvorrichtung
sind relativ zueinander beweglich ausgebildet. Die Verstelleinrichtung
ist ausgebildet zum automatischen sukzessiven Verändern
eines vorgegebenen Anstellwinkels zwischen der Werkstückachse und
der Werkzeugachse sowie zum Vorgeben einer translatorischen Bewegung
zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück derart, dass das
Werkzeug mit seinem Bearbeitungsbereich in einer von der Werkzeugachse
und der Werkstückachse aufgespannten Ebene auf dem Werkstück
einen Kreisausschnitt mit dem vorgegebenen Radius beschreibt. Ein
Zentralbereich ist um die Werkzeugachse an einem freien axialen
Endbereich des Werkzeugs bei dem bestimmungsgemäßen
Herstellen des Kugelsegments außer Eingriff mit dem Werkstück.
Dies ermöglicht ein präzises und reproduzierbares
Herstellen des Kugelsegments mit geringer Rauheit der Oberfläche
auf dem Werkstück durch eine gleich bleibend hohe Schnittgeschwindigkeit
des Werkzeugs auf dem Werkstück.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten Aspekts weist das
Werkzeug einen Bearbeitungsbereich auf, der zylinderförmig
ausgebildet ist. Dies ermöglicht ein Nutzen eines kostengünstig
ausgebildeten Werkzeugs.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Werkzeug ein Fräswerkzeug.
Dies ermöglicht ein schnelles und kostengünstiges
spanabhebendes Herstellen eines Kugelsegments.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Werkzeug ein
Schleifwerkzeug. Schleifwerkzeuge ermöglichen das Herstellen
des Kugelsegments mit besonders hoher Oberflächengüte.
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Gemäß einem
dritten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Werkzeug
zum spanabhebenden Herstellen eines Kugelsegments mit einem vorgegebenen
Radius an einem Werkstück in einer Anordnung gemäß dem
ersten Aspekt. Das Werkzeug weist einen Bearbeitungsbereich auf,
der konkav ausgebildet ist und eine konstante Krümmung
mit dem vorgegebenen Radius als Krümmungsradius aufweist
und das einen Zentralbereich um eine Werkzeugachse an einem freien
axialen Endbereich des Werkzeugs aufweist, der bei einem bestimmungsgemäßen
Herstellen des Kugelsegments außer Eingriff mit dem Werkstück
ist. Dies ermöglicht ein präzises und reproduzierbares
Herstellen des Kugelsegments mit geringer Rauheit der Oberfläche
auf dem Werkstück durch eine gleich bleibend hohe Schnittgeschwindigkeit
des Werkzeugs auf dem Werkstück.
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Gemäß einem
vierten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren
zum spanabhebenden Herstellen eines Kugelsegments mit einem vorgegebenen
Radius an einem Werkstück, bei dem ein Werkzeug, das einen
Bearbeitungsbereich aufweist, in eine erste Einspannvorrichtung
eingespannt und um seine Werkzeugachse rotiert wird. Das Werkstück
wird eingespannt in eine zweite Einspannvorrichtung und um seine
Werkstückachse rotiert. Ein Anstellwinkel zwischen der
Werkstückachse und der Werkzeugachse sowie eine translatorische Bewegung
zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück werden sukzessive
so vorgegeben, dass das Werkzeug mit seinem Bearbeitungsbereich
in einer von der Werkzeugachse und der Werkstückachse aufgespannten
Ebene auf dem Werkstück einen Kreisausschnitt mit dem vorgegebenen
Radius beschreibt. Ein Zentralbereich um die Werkzeugachse an einem
freien axialen Endbereich des Werk zeugs ist bei dem bestimmungsgemäßen
Herstellen des Kugelsegments außer Eingriff mit dem Werkstück.
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Gemäß einem
fünften Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine
Vorrichtung, die als zylindrischer Körper ausgebildet ist,
bei dem an mindestens einem axialen Ende ein mittels einer Anordnung
gemäß dem ersten oder zweiten Aspekt und/oder
mittels eines Verfahrens gemäß dem vierten Aspekt
hergestelltes Kugelsegment ausgebildet ist. Die Vorrichtung weist
dadurch mindestens ein Kugelsegment hoher Präzision und
geringer Rauheit der Oberfläche auf.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung als ein Leckagestift
ausgebildet zum Übertragen einer Stellkraft zwischen einem
Stellantrieb und einem Stellglied eines Einspritzventils. Dies ermöglicht
zuverlässig und reproduzierbar die Übertragung
der Stellkraft durch eine Punktberührung des Stellantriebs
mit dem Stellglied. Durch die hohe Präzision und geringe
Rauheit des mindestens einen Kugelsegments ist ein zuverlässiger
Betrieb des Einspritzventils möglich.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Anordnung zum spanabhebenden Herstellen eines Kugelsegments an einem
Werkstück,
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2 einen
Ausschnitt aus einer ersten Ausführungsform eines Werkzeugs
zur spanabhebenden Bearbeitung,
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3 einen
Ausschnitt aus der Anordnung zum spanabhebenden Herstellen des Kugelsegments
an dem Werkstück mit der ersten Ausführungsform
des Werkzeugs,
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4 einen
Ausschnitt aus der Anordnung zum spanabhebenden Herstellen des Kugelsegments
an dem Werkstück mit einer zweiten Ausführungsform
des Werkzeugs und
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5 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen des Kugelsegments
an dem Werkstück.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt
eine Anordnung zum spanabhebenden Herstellen eines Kugelsegments 2 mit
einem vorgegebenen Radius R an einem Werkstück 4.
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Die
Anordnung umfasst ein Werkzeug 6 mit einem Bearbeitungsbereich 8 und
einem Zentralbereich 10, der an einer Stirnseite des Werkzeugs 6 angeordnet
ist. Eine erste Einspannvorrichtung 12 ist ausgebildet
zum Einspannen und zum Rotieren des Werkzeugs 6 um seine
Werkzeugachse A1 mittels einer ersten Antriebseinrichtung 14.
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Eine
zweite Einspannvorrichtung 16 ist ausgebildet zum Einspannen
und zum Rotieren des Werkstücks 6 um seine Werkstückachse
A2 mittels einer zweiten Antriebseinrichtung 18. Die erste
Antriebseinrichtung 14 und/oder die zweite Antriebseinrichtung 18 umfassen
beispielsweise jeweils einen Motor, beispielsweise einen Elektromotor.
Die erste Antriebseinrichtung 14 und/oder die zweite Antriebseinrichtung 18 können
jedoch beispielsweise ebenso jeweils ein Getriebe umfassen, das
durch einen gemeinsamen Motor angetrieben wird.
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Die
Anordnung umfasst ferner eine Verstelleinrichtung 20 zum
translatorischen Bewegen des Werkzeugs 6 relativ zu dem
Werkstück 4, beispielsweise in Form eines axialen
Vorschubs VS des Werkzeugs 6 und/oder des Werkstücks 4.
Die Verstelleinrichtung 20 ist vorzugsweise ferner ausgebildet
zum Verstellen eines Anstellwinkels α zwischen dem Werkstück 4 und
dem Werkzeug 6, so dass zum einen der Anstellwinkel α vorgebbar
ist und zum anderen der axiale Vorschub VS vorgebbar ist.
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Das
Werkstück 4 ist bevorzugt als ein zylinderförmiger
Körper ausgebildet und ist bevorzugt aus einem Keramik-
oder Hartmetallwerkstoff gebildet. Bei dem Werkstück 4 kann
es sich insbesondere um eine Keramik oder um einen Hartmetallstift
handeln. Das Werkstück 4 kann beispielsweise aus
gehärtetem Stahl gebildet sein. Bevorzugt ist das Werkstück 4 aus
einem Material gebildet, das eine hohe Härte, eine geringe
thermische Ausdehnung sowie ein hohes Elastizitätsmodul
aufweist. Das Elastizitätsmodul kann beispielsweise einen
Wert von etwa 630 kN/mm2 aufweisen.
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Kugelsegmente 2 an
Werkstücken 4, insbesondere an zylinderförmigen
Werkstücken 4, können beispielsweise
eingesetzt werden in Einspritzventilen von Brennkraftmaschinen.
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Der
zylinderförmige Körper und insbesondere der Hartmetallstift
mit daran ausgebildetem Kugelsegment 2 kann beispielsweise
eingesetzt werden als Teil eines Stellglieds zum Übertragen
einer Kraft von einem Stellantrieb auf das Stellglied in einem Einspritzventil,
mit dem Kraftstoff in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine
zugemessen werden kann. Beispielsweise kann der zylinderförmige
Körper und insbesondere der Hartmetallstift mit dem Kugelsegment 2 als
ein Leckage stift ausgebildet und in dem Stellglied angeordnet sein.
Bei einer Ansteuerung des Stellantriebs zur Öffnung des
Einspritzventils überträgt der Stellantrieb mechanisch
eine Kraft über den Leckagestift auf das Stellglied. Leckagestifte
in Stellgliedern von Einspritzventilen können eingefasst
sein in eine Labyrinthdichtung und erfordern für einen
reproduzierbaren und zuverlässigen Betrieb des Einspritzventils
eine hohe Form- und Oberflächengenauigkeit. Ferner wird
aufgrund der an solchen mechanischen Kopplungen häufig
auftretenden hohen Kräfte eine hohe Belastbarkeit und lange
Lebensdauer insbesondere des Kugelsegments angestrebt.
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2 zeigt
einen Ausschnitt einer ersten Ausführungsform des Werkzeugs 6,
das den Bearbeitungsbereich 8 sowie den Zentralbereich 10 aufweist.
Der Bearbeitungsbereich 8 ist konkav ausgebildet und weist
eine konstante Krümmung mit dem vorgegebenen Radius R als
Krümmungsradius auf.
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Der
Zentralbereich 10 umfasst die Stirnfläche des
Werkzeugs 6, die beispielsweise rotationssymmetrisch ausgebildet
sein kann, an einem freien axialen Endbereich des Werkzeugs 6 und
ist unmittelbar um die Werkzeugachse A1 herum ausgebildet. Der Zentralbereich 10 legt
denjenigen Bereich auf einer Oberfläche des Werkzeugs 6 fest,
der nicht zum Herstellen des Kugelsegments 2 beiträgt.
In einem Bereich nahe der Werkzeugsachse A1 werden nur geringe Schnittgeschwindigkeiten
erreicht und die Schnittgeschwindigkeit an der Werkzeugachse A1 selbst
ist gleich Null. Bei dem bestimmungsgemäßen Herstellen
des Kugelsegments 2 bleibt der Zentralbereich 10 daher
außer Eingriff mit dem Werkstück 4.
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3 zeigt
das Werkstück 4 und das Werkzeug 6 beim
spanabhebenden Herstellen des Kugelsegments 2 mittels des
Werkzeugs 6. Der Anstellwinkel α zwischen der
Werkzeugsachse A1 und der Werkstückachse A2 kann beispielsweise
zwischen 5 und 30° betragen. Bevorzugt beträgt
der Anstellwinkel α zwischen der Werkzeugachse A1 und der
Werkstückachse A2 zwischen 5 und 15°.
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4 zeigt
das Werkstück 4 mit dem Kugelsegment 2 und
einer zweiten Ausführungsform des Werkzeugs 6 mit
dem Bearbeitungsbereich 8 und dem Zentralbereich 10.
Als zweite Ausführungsform ist das Werkzeug 6 zylinderförmig
ausgebildet. Der Bearbeitungsbereich 8 umfasst eine Mantelfläche des
zylinderförmigen Werkzeugs 6. Bevorzugt ist das Werkzeug 6 mit
dem Bearbeitungsbereich 8 in Eingriff mit dem Werkstück 4 angrenzend
an den Zentralbereich 10 des Werkzeugs 6. Dies
ermöglicht eine Punktberührung des Werkzeugs 6 mit
dem Werkstück 4. Bei Verschleiß des Werkzeugs 6 kann
das Werkzeug 6 unter Aufrechterhaltung der Punktberührung
einfach axial entlang der Werkzeugachse A1 nachgeführt
werden.
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5 zeigt
ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum spanabhebenden
Herstellen des Kugelsegments 2 mit dem vorgegebenen Radius
R an dem Werkstück 4. Das Verfahren startet in
einem ersten Verfahrensschritt S1. In einem zweiten Verfahrensschritt
S2 wird das Werkzeug 6 eingespannt in die erste Einspannvorrichtung 12.
In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird das Werkstück 4 eingespannt in
die zweite Einspannvorrichtung 16. Die Schritte S2 und
S3 können auch vertauscht werden.
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Die
im Folgenden erläuterten Verfahrensschritte S4 bis S7 beziehen
sich auf eine Verwendung der ersten Ausführungsform des
Werkzeugs 6. Bei dem Werkzeug 6 gemäß der
ersten Ausführungsform ist der Bearbeitungsbereich 8 konkav
ausgebildet und weist die konstante Krümmung mit dem vorgegebenen
Radius R als Krümmungsradius auf.
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In
einem vierten Verfahrensschritt S4 wird der Anstellwinkel α zwischen
der Werkzeugachse A1 und der Werkstückachse A2 vorgegeben.
Insbesondere wird der Anstellwinkel α als konstant vorgegeben.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Anstellwinkel α durch
die Anordnung und insbesondere durch die Verstelleinrichtung 20 konstruktiv
fest vorgegeben ist. In einem Verfahrensschritt S5 wird der Vorschub
VS vorgegeben. In einem sechsten Verfahrensschritt S6 wird überprüft,
ob das Kugelsegment 2 an dem Werkstück 4 vollständig
ausgebildet ist. Beispielsweise kann überprüft
werden, ob das Werkstück 4 relativ zu dem Werkzeug 6 eine
vorgegebene Position erreicht hat und/oder ob eine vorgegebene Bearbeitungszeit
verstrichen ist. Ist dies der Fall, dann endet das Verfahren in
einem siebten Verfahrensschritt S7. Das Verfahren kann beispielsweise für
ein weiteres Werkstück 4 mit dem Verfahrensschritt
S1 oder S2 oder bevorzugt in dem Verfahrensschritt S3 fortgesetzt
werden und ist so geeignet für eine Massenproduktion von
Werkstücken 4 jeweils mit einem Kugelsegment 2.
Ist die Bedingung in dem Schritt S6 jedoch nicht erfüllt,
dann folgt als nächster Verfahrensschritt der Verfahrensschritt
S5. Es wird erneut der Vorschub VS vorgegeben und anschließend
wird das Verfahren mit dem Verfahrensschritt S6 fortgesetzt.
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Die
im Folgenden erläuterten Verfahrensschritte S4 bis S7 in
dem Ablaufdiagramm der 5 beziehen sich auf eine Verwendung
der zweiten, zylinderförmigen, Ausführungsform
des Werkzeugs 6:
In dem Verfahrensschritt S4 wird
der Anstellwinkel α zwischen der Werkzeugsachse A1 und
der Werkstückachse A2 vorgegeben. In dem Verfahrensschritt S5
wird der Vorschub VS vorgegeben. In dem Verfahrensschritt S6 wird
geprüft, ob das Kugelsegment 2 an dem Werkstück 4 vollständig
ausgebildet ist. Beispiels weise kann überprüft
werden, ob das Werkstück 4 relativ zu dem Werkzeug 6 eine
vorgegebene Position erreicht hat und/oder eine vorgegebene Bearbeitungszeit
verstrichen ist. Ist dies der Fall, dann endet das Verfahren in
dem siebten Programmschritt S7 oder wird in einem der Verfahrensschritte
S1 bis S3 für das weitere Werkstück 4 fortgesetzt.
Ist die Bedingung in dem Verfahrensschritt S6 jedoch nicht erfüllt,
so werden sukzessive in dem Verfahrensschritt S4 der Anstellwinkel α und
in dem Verfahrensschritt S5 der Vorschub VS vorgegeben. Anschließend
wird in dem Verfahrensschritt S6 jeweils überprüft,
ob das Kugelsegment 2 an dem Werkstück 4 vollständig ausgebildet
ist. Der Verfahrensschritt S4 kann mit dem Verfahrensschritt S5
auch vertauscht werden, so dass beispielsweise zunächst
der Vorschub VS vorgegeben wird und anschließend der Anstellwinkel α vorgegeben
wird. Durch das sukzessive Vorgeben des Anstellwinkels α und
des Vorschubs VS beschreibt das Werkzeug 6 mit seinem Bearbeitungsbereich 8 in
einer von der Werkzeugachse A1 und der Werkstückachse A2
aufgespannten Ebene auf dem Werkstück 4 einen
Kreisausschnitt mit dem vorgegebenen Radius.
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Das
zylinderförmige Werkzeug 6 ist in der zweiten
Ausführungsform bevorzugt so ausgebildet, dass der Durchmesser
des Werkzeugs 6 ungleich dem Durchmesser des Werkstücks 4 ist.
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Das
Herstellen des Kugelsegments 2 an dem Werkstück 4 kann
mit allen spanabhebenden Bearbeitungsverfahren durchgeführt
werden. Bevorzugt wird das Kugelsegment 2 durch Fräsen
oder Schleifen hergestellt. Das Werkzeug gemäß der
ersten oder zweiten Ausführungsform ist dazu vorzugsweise
als ein Fräswerkzeug oder als ein Schleifwerkzeug ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006007787
A1 [0002]