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Die Erfindung betrifft Verfahren zur spanenden Herstellung eines wenigstens eine rotationssymmetrische Fläche aufweisenden Werkstückes durch Drehen mit rotierendem Werkstück und einer in das Werkstück eingreifenden Werkzeugschneide und Einrichtungen zum spanenden Herstellen eines wenigstens eine rotationssymmetrische Fläche aufweisenden Werkstückes durch Drehen.
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Um rotationssymmetrische Flächen an Werkstücken herzustellen, sind unterschiedliche Bearbeitungsverfahren bekannt, wie beispielsweise Drehen, Drehfräsen und Rundschleifen. Dabei wird das unfertige Werkstück mit Aufmaß in ein Spannmittel einer Werkstückspindel eingespannt und rotiert. An das rotierende Werkstück mit Aufmaß wird ein Werkzeug mit einer oder mehreren Werkzeugschneiden herangeführt, die mit der Werkstückoberfläche in Eingriff tritt und Material vom Werkstück spant. Die Werkzeugschneide wird entsprechend der gewünschten Kontur des zu erstellenden Werkstücks entlang geführt. Beim Führen der Werkzeugschneide entlang der gewünschten Kontur entstehen beim Drehen am Werkstück Vorschubriefen, auch als Drallstruktur bezeichnet, die die Form eines Gewindes aufweisen. Diese Drallstruktur ist die Ursache eines sogenannten Fördereffektes, der in Anwendungen beispielsweise bei Dichtflächen und Gleitlagersitzflächen unerwünscht und daher zu vermeiden ist. Aus diesem Grund werden die genannten Funktionsflächen von Bauteilen beispielsweise für den Antriebsstrang in einem Fahrzeugantrieb mittels Einstechschleifen endbearbeitet. Diese Schleifbearbeitung ist jedoch kosten- und energieintensiv.
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Aus der Druckschrift
DE 199 63”97 A1 ist ein Verfahren durch Tangentialdrehen bekannt, indem eine gerade Werkzeugschneide in linearer Bewegung tangential an einem zylinderförmigen Werkstück entlang geführt wird. Die Werkzeugschneide liegt dabei in der Tangentialebene des Werkstücks, ist aber gegenüber der linearen Bewegungsrichtung abgewinkelt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2004 026 675 B3 ist ein Rotationsdrehen bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Werkzeug drehbar auf einer Schwenkachse gelagert, so dass eine gerade Werkzeugschneide in einer Kreisbewegung an einem Werkstück vorbeiführbar ist. Die Schwenkachse kann dabei parallel zur Drehachse ausgerichtet sein, um die Mantelfläche eines zylinderförmigen Werkstücks herzustellen. Die Schwenkachse kann auch senkrecht zur Drehachse ausgerichtet sein und diese kreuzen, um eine Stirnfläche eines Werkstücks zu fertigen. Die Schneidkante ist dabei jeweils gegenüber der Schwenkrichtung angewinkelt.
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Diese beiden Verfahren erfordern eine spezielle Maschinenkinematik, um das Werkzeug auf der vorgesehenen Bahn relativ zum Werkstück führen zu können. Diese Verfahren können mit herkömmlichen Drehmaschinen nicht ausgeführt werden. Weiterhin sind die Werkzeuge sehr kostenintensiv, denn die Qualitätsanforderungen sind sehr hoch. Da der Kontaktpunkt von Werkzeug und Werkstück bei diesen Verfahren entlang der Werkzeugschneide wandert, führen schon kleinsten Ausbrüche an der Werkzeugschneide zu Ausschussteilen. Außerdem liegen die Schnitttiefen aufgrund der hohen Belastungen nur zwischen 0,05 mm bis 0,1 mm, wohingegen ein typisches Aufmaß 0,2 mm bis 0,3 mm beträgt. Ein Werkstück muss daher schruppbearbeitet werden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2006 009 276 C5 ist ein Verfahren zum drallfreien Drehen bekannt, bei dem die Werkzeugschneide in das rotierende Werkstück bis zur erzeugenden Oberfläche eingestochen wird. Dabei verbleibt die Werkzeugschneide während mindestens einer Umdrehung des Werkstücks in der eingestochenen Position. Die Werkzeugschneide wird anschließend senkrecht vom Werkstück abgehoben und parallel zur erzeugenden Oberfläche des Werkstücks verschoben. Diese Vorgänge werden mehrfach wiederholt um dadurch eine drallfreie Oberflächen zu erzeugen.
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Nachteilig ist dabei die Anforderung an eine sehr hohe Positionierungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine, damit eine hohe Form- und Maßgenauigkeit des Werkstücks garantierbar ist. Weiterhin steht durch die sehr starken Beschleunigungen des Werkzeugs das Vorschubsystem der Werkzeugmaschine stets unter hoher dynamischer Belastung, was nicht nur eine hohe Stabilität und Steifigkeit der Maschine fordert, sondern auch die Lebensdauer der Werkzeugmaschine verkürzt. Außerdem steigt durch die komplizierte Kinematik des Werkzeugs die Bearbeitungszeit erheblich.
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Aus der Druckschrift
DE 42 23 645 A1 ist ein Vibrations-Bearbeitungsverfahren bekannt, bei dem ein Schneidwerkzeug längs dessen Schneidkante in Schwingung versetzt wird.
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Aus der Druckschrift
DE 41 19 162 C1 ist ein Drehräumen zur drallfreien Endbearbeitung bekannt, bei dem nacheinander seitlich versetzte Einstechwerkzeuge zur Herstellung einer rotations-symmetrischen Oberfläche verwendet werden.
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Der in den Patentansprüchen 1 und 6 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem wenigstens eine drallfreie und rotationsymmetrische Fläche an einem Werkstück einfach und ökonomisch günstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 6 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die spanenden Verfahren zur Herstellung eines wenigstens eine rotationssymmetrische Fläche aufweisenden Werkstückes durch Drehen mit rotierendem Werkstück und einer in das Werkstück eingreifenden Werkzeugschneide zeichnen sich insbesondere durch eine einfache und ökonomisch günstige Realisierung von drallfreien und rotationsymmetrischen Flächen an Werkstücken aus.
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Dazu wird das Werkzeug in axialer Richtung bezüglich der Drehachse des Werkstückes während der Bearbeitung des Werkstückes alternierend bewegt und gestoppt. Die Länge der Bewegung des Werkzeugs ist dabei kleiner oder gleich der Werkzeugschneide und das Werkstück vollführt in der Anhalteposition des Werkzeugs mindestens eine Umdrehung. Damit ist das Werkzeug ständig mit dem Werkstück kontaktiert und es wird Material vom Werkstück abgetragen.
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Die alternierende Betriebsweise ist ein Start-Stopp-Drehen, um drallfreie Oberflächen an einem rotationssymmetrischen Werkstück herzustellen. Vorteilhafterweise entsteht die drallfreie Oberfläche dabei nur durch eine spezielle Vorschubkinematik des Werkzeugs. Das Werkzeug bewegt sich nicht wie beim Längsdrehen kontinuierlich, sondern wird nur in axialer Richtung bezüglich der Drehachse des Werkstücks geringfügig verschoben und anschließend angehalten. Ein beim Umpositionieren des Werkzeugs erzeugte Drallstruktur am Werkstück wird durch die Werkzeugschneide, die bei jeder Anhalteposition mindestens eine Umdrehung des Werkstücks verweilt, entfernt.
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Beim Umpositionieren der Werkzeugschneide bleibt das Werkzeug ständig in Kontakt mit dem Werkstück und trägt Material ab. Der Abstand benachbarter Anhaltepositionen ist kleiner oder gleich der aktiven Breite der Werkzeugschneide, wobei diese Breite durch den Eingriffsbereich der Werkzeugschneide bestimmt ist. Dadurch ist sichergestellt, dass die gesamten Oberflächenkonturen keine Drallstruktur aufweisen.
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Nach jeder Anhaltephase der Werkzeugschneide ist der erzeugte Konturabschnitt des Werkstücks drallfrei. Infolgedessen ist auch die erzeugte rotationssymmetrische Fläche, die aus unmittelbar benachbarten Konturabschnitten besteht, drallfrei. Die rotationssymmetrische Oberfläche weist dagegen eine charakteristische Rille-an-Rille-Struktur auf.
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Das Verfahren und die Einrichtung kann sowohl für zylinderförmige Werkstücke als auch Konusmantelfächen oder gekrümmte Flächen aufweisende Werkstücke eingesetzt werden. Für die Bearbeitung einer Planfläche ist das Verfahren ebenfalls einsetzbar.
Eine Einrichtung zum spanenden Herstellen eines wenigstens eine rotationssymmetrische Fläche aufweisenden Werkstückes durch Drehen weist dazu
- – einen Rotationsantrieb für das daran gekoppelte Werkstück,
- – einen eine lineare Bewegung erzeugenden Antrieb für das daran gekoppelte Werkzeug und
- – ein mit dem Rotationsantrieb und dem Linearantrieb zusammengeschaltetes Datenverarbeitungssystem
auf, so dass das Werkzeug in axialer Richtung bezüglich der Drehachse des Werkstückes während der Bearbeitung des Werkstückes alternierend bewegt und gestoppt wird. Dabei ist die Länge der Bewegung des Werkzeugs durch den Antrieb kleiner oder gleich der Werkzeugschneide und vollführt das Werkstück in der Anhalteposition des Werkzeugs durch den Rotationsantrieb mindestens eine Umdrehung, so dass das Werkzeug ständig mit dem Werkstück kontaktiert ist und Material vom Werkstück abgetragen wird.
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Die Werkzeugkinematik für das damit angewandte Start-Stopp-Drehen kann durch sowohl eine CNC-gesteuerte Drehmaschine als auch ein zusätzliches Antriebssystem auf einer Drehmaschine realisiert werden. Im zweiten Fall kann die gewünschte Kinematik der Werkzeugschneide durch eine Bewegungsüberlagerung sicherer und effektiver realisiert werden.
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Mit Anwendung des Verfahrens und unter Nutzung der Einrichtung können wenigstens Bereiche von Werkstücken für eine Gleit- und/oder Dichtefunktion ohne Drallstruktur durch Drehen realisiert werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 und 7 bis 10 angegeben.
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Die Dauer des Anhaltens des Werkzeugs ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 abhängig von dem Durchmesser des Werkstückes und der Umfangsgeschwindigkeit des Werkstückes. Zwischen der Umpositionierungsphase des Werkzeugs und der Anhaltephase des Werkzeugs besteht kein direkter mathematischer Zusammenhang, so dass diese beiden Phasen separat voneinander bestimm- und optimierbar sind.
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Die Länge der Bewegung des Werkzeugs ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 günstigerweise gleich/kleiner 0,8 mm. Für ein Hartdrehen ist die Länge der Bewegung vorteilhafterweise 0,4 mm, insbesondere um 0,2 mm. Diese Vorschubwege haben sich insbesondere beim Hartdrehen bewährt, wobei die erzielbare Oberflächenrauheit unterhalb von 1 μm ist und keine tiefe Rillenstruktur aufweist.
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Das Aufmaß ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 gleich/kleiner 2 mm. Günstige Schnitttiefen beim Hartdrehen sind jeweils einschließlich 0,1 mm bis 0,3 mm.
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Die Maschinenhauptzeit ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 von dem Durchmesser des Werkstücks und von der d Schnittgeschwindigkeit abhängig. Dabei gilt tH = Π·d/vc.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ist
- – das Werkzeug über einen Werkzeughalter und einen Linearantrieb an die sich linear bewegende Einheit des Antriebs gekoppelt,
- – der Linearantrieb ein eine schwingende Bewegung erzeugender Linearantrieb und
- – der Linearantrieb mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden.
Die Start-Stopp-Kinematik ist mittels des zusätzlichen Linearantrieb realisiert. Mit der dadurch vorhandenen Bewegungsüberlagerung sinkt nicht nur die dynamische Belastung der Werkzeugmaschine durch das alternierende Beschleunigen und Bremsen, sondern auch die benötige Maschinenhauptzeit.
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Der Antrieb und der Linearantrieb sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 so mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden, dass das Werkzeug durch den schwingenden Linearantrieb mit der doppelten Geschwindigkeit der Geschwindigkeit der sich linear bewegenden Einheit des Antriebs während der Bewegung des Werkzeugs verfahren wird. Die Maschinenhauptzeit verringert sich wesentlich.
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Günstigerweise ist der zweite Linearantrieb nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 ein piezokeramischer Antrieb oder ein eine hin- und hergehende Bewegung erzeugender Antrieb. Letzterer kann auch ein Rotationsantrieb mit einer angekoppelten Einrichtung zur Bewegungsänderung sein. Das ist beispielsweise ein bekannter Elektromotor mit einem Exzenter oder einer Schubkurbel. Bei der Variante mit Exzenter ist günstigerweise wenigstens ein federndes Rückholelement ein Bestandteil dieser Anordnung.
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Das Werkzeug ist vorteilhafterweise nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 ein Werkzeug mit Schleppschneide. Insbesondere beim Hartdrehen wird damit die Vorschubspur in Form der Drallstruktur vollständig beseitigt. Bekannterweise kann das Werkzeug mit Schleppschneide eine Wendeschneidplatte insbesondere eine Standard-Wendeschneidplatte oder eine Wiper-Wendeschneidplatte sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine typisch mittels Drehens hergestellte rotationsymmetrische Oberfläche mit einer Drallstruktur,
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2 ein durch die Drallstruktur verursachter Fördereffekt,
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3 einen Bearbeitungsvorgang beim konventionellen bekannten Drehen mit der entstehenden Drallstruktur,
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4 ein Diagramm des Geschwindigkeitsverlaufs des Werkzeugs in axialer Richtung des Werkstückes in Abhängigkeit der Zeit beim bekannten Drehen,
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5 einen Bearbeitungsvorgang beim Start-Stopp-Drehen mit einer drallfreien rotationssymmetrischen Oberfläche,
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6 eine durch ein Start-Stopp-Drehen hergestellte rotationssysmmetrische förderneutrale Oberfläche ohne Drallstruktur,
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7 ein Diagramm des Geschwindigkeitsverlaufs des Werkzeugs in axialer Richtung des Werkstückes in Abhängigkeit der Zeit beim Start-Stopp-Drehen,
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8 eine Einrichtung für ein Start-Stopp-Drehen mit einem zusätzlichen Linearantrieb für das Werkzeug und
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9 den zeitlichen Geschwindigkeitsverlauf des Werkzeugs bei rotierendem Werkstück.
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In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen werden jeweils ein Verfahren und eine Einrichtung zur spanenden Herstellung eines wenigstens eine rotationssymmetrische Fläche aufweisenden Werkstückes durch Drehen mit rotierendem Werkstück und einer in das Werkstück eingreifenden Werkzeugschneide zusammen näher erläutert.
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Es zeigen
die 1 eine typisch mittels bekannten Drehens hergestellte rotationsymmetrische Oberfläche mit einer Drallstruktur,
die 2 ein durch die Drallstruktur verursachter Fördereffekt,
die 3 einen Bearbeitungsvorgang beim konventionellen bekannten Drehen mit der entstehenden Drallstruktur und
die 4 ein Diagramm des Geschwindigkeitsverlaufs des Werkzeugs in axialer Richtung des Werkstückes in Abhängigkeit der Zeit beim bekannten Drehen jeweils in prinzipiellen Darstellungen.
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Die 1 zeigt ein Werkstück 1, welches eine gewindeförmige Drallstruktur 2 aufweist. Durch die Rotation 3 des Werkstückes 1 wird beispielsweise Schmierstoff zwischen Werkstück 1 und einem nicht gezeigtem Dichtring oder Gleitlager auf dem Werkstück 1 wegen der gewindeförmigen Drallstruktur 2 in der axialen Richtung 4 des Werkstückes 1 gefördert (Darstellung in der 2). Die Größe der Förderung ist dabei von der Steigung und dem Querschnitt der gewindeförmigen Drallstruktur 2 abhängig. Diese wird durch ein Werkzeug 5 verursacht, das kontinuierlich in axialer Richtung des rotierenden Werkstückes 1 bewegt wird (Darstellung in der 3). Das Werkzeug 5 ist beispielsweise eine Wendeschneidplatte 5. Mittels der dazu angewandten bekannten Drehmaschine kann die Wendeschneidplatte 6 in axialer Richtung 6 und in Richtung des Wekstückes 1 verschoben werden, die senkrecht und parallel zur Drehachse des Werkstückes 1 verlaufen.
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Eine Einrichtung zum spanenden Herstellen eines rotationssymmetrische Flächen aufweisenden Werkstückes 1 durch Drehen weist in einem ersten Ausführungsbeispiel dazu im Wesentlichen einen Rotationsantrieb für das daran gekoppelte Werkstück 1, einen eine lineare Bewegung erzeugenden Antrieb für das daran gekoppelte Werkzeug 5 und ein mit dem Rotationsantrieb und dem Antrieb zusammengeschaltetem Datenverarbeitungssystem auf. Der Rotationsantrieb und der Antrieb sind Antriebe einer bekannten Drehmaschine.
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Bei der Bearbeitung des Werkstückes 1 wird das Werkzeug 5 in axialer Richtung 6 bezüglich der Drehachse des Werkstückes 1 alternierend bewegt und gestoppt, wobei die Länge der Bewegung des Werkzeugs 5 kleiner oder gleich der aktiven Werkzeugschneide ist und das Werkstück 1 in der Anhalteposition des Werkzeugs 5 mindestens eine Umdrehung vollführt, so dass das Werkzeug 5 ständig mit dem Werkstück 1 kontaktiert ist und Material vom Werkstück 1 abgetragen wird. Dabei entsteht eine drallfreie Struktur 8.
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Dazu zeigen
die 5 einen Bearbeitungsvorgang beim Start-Stopp-Drehen mit einer drallfreien rotationssymmetrischen Oberfläche,
die 6 eine durch ein Start-Stopp-Drehen hergestellte rotationssysmmetrische förderneutrale Oberfläche ohne Drallstruktur und
die 7 ein Diagramm des Geschwindigkeitsverlaufs des Werkzeugs in axialer Richtung des Werkstückes 1 in Abhängigkeit der Zeit beim Start-Stopp-Drehen jeweils in einer prinzipiellen Darstellung.
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Eine Einrichtung zum spanenden Herstellen eines rotationssymmetrische Flächen aufweisenden Werkstückes 1 durch Drehen mit Nutzung des Verfahrens nach dem ersten Ausführungsbeispiel weist in einem zweiten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen einen Rotationsantrieb für das Werkstück, einen eine lineare Bewegung erzeugenden Antrieb, einen Linearantrieb 7 und ein mit dem Rotationsantrieb, dem Antrieb und dem Linearantrieb 7 zusammengeschalteten Datenverarbeitungssystem auf. Der Rotationsantrieb und der erste Linearantrieb sind Antriebe einer bekannten Drehmaschine. Das Werkzeug 5 ist über einen Werkzeughalter 9 an den Linearantrieb 7 gekoppelt.
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Die 8 zeigt eine Einrichtung für ein Start-Stopp-Drehen mit einem zusätzlichen Linearantrieb 7 für das Werkzeug 5 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Während der Bearbeitung des Werkstückes 1 wird das Werkzeug 5 in axialer Richtung bezüglich der Drehachse des Werkstückes 1 alternierend bewegt und gestoppt. Dabei ist die Länge der Bewegung des Werkzeugs 5 durch den Linearantrieb 7 kleiner oder gleich der aktiven Werkzeugschneide und das Werkstück 1 vollführt in der Anhalteposition des Werkzeugs 5 durch den Rotationsantrieb mindestens eine Umdrehung, so dass das Werkzeug 5 ständig mit dem Werkstück 1 kontaktiert ist und Material vom Werkstück 1 abgetragen wird. Dabei entsteht eine drallfreie Struktur 8 (Darstellung in der 6).
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Der Antrieb ist ein Antrieb für eine kontinuierliche Bewegung des Werkzeugs 5. Das ist ein Antrieb einer bekannten Drehmaschine zur Bewegung des Werkzeugs 5 in axialer Richtung des Werkstückes 1.
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Die 9a zeigt dazu den zeitlichen Geschwindigkeitsverlauf in einer prinzipiellen Darstellung.
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Das Werkzeug 5 ist über einen Werkzeughalter 9 und den Linearantrieb 7 an den Antrieb gekoppelt. Der Linearantrieb 7 ist ein eine schwingende Bewegung oder eine hin-/hergehende Bewegung erzeugender Linearantrieb 7. Die 9b zeigt dazu den zeitlichen Geschwindigkeitsverlauf des Linearantriebs 7 in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Antrieb und der Linearantrieb 7 sind dabei so mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden, dass das Werkzeug 5 durch den schwingenden Linearantrieb 7 mit der doppelten Geschwindigkeit der Geschwindigkeit des Antriebs während der Bewegung des Werkzeugs 5 verfahren wird.
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Die 9c zeigt dazu den zeitlichen Geschwindigkeitsverlauf des Werkzeugs 5 in einer prinzipiellen Darstellung.
