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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schleifwerkzeug zur automatisierten Nachbearbeitung gefräster Freiformflächen nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs ein. Ein gattungsgemäßes Schleifwerkzeug weist eine starre Welle zur Aufnahme des Schleifwerkzeugs in einem Spannmittel einer computergesteuerten Bearbeitungsmaschine sowie einen flexiblen Teller auf, der an einem axialen Ende der Welle angeordnet und in einem mittleren Bereich des Tellers fest mit dem axialen Ende der Welle verbunden ist, sodass der Teller in dem mittleren Bereich aufgrund der festen Verbindung mit dem axialen Ende der Welle steif, in einem äußeren Bereich hingegen flexibel ist. Eine der Welle abgewandte Unterseite des Tellers ist mit einem Schleifbelag versehen, der superharte Schleifpartikel mit einer Knoop Härte von mindestens 40 GPa aufweist. Welle und Teller sind konzentrisch zu einer Achse des Schleifwerkzeugs angeordnet.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Schleifwerkzeugs mit einer computergesteuerten Bearbeitungsmaschine zur automatisierten Nachbearbeitung einer gefrästen Freiformfläche.
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Blechteile mit Freiformflächen werden bereits seit langem in Masse produziert. Die Blechteile erhalten ihre Form in einer Presse. Sie werden dort unter Verwendung spezieller Umformwerkzeuge tief gezogen. Typische Beispiele für derartige Blechteile finden sich im Karosseriebau. Man denke beispielsweise an Karosseriebauteile wie Türen, Kotflügel oder Motorhauben.
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Die hierfür verwendeten Umformwerkzeuge bestehen aus speziellen Metalllegierungen. Zur Herstellung der Umformwerkzeuge werden zunächst Gussrohteile hergestellt. Diese werden heutzutage in der Regel anschließend mittels computergesteuerter Fräsmaschinen bearbeitet. Um die geforderte hohe Qualität der Blechteile zu gewährleisten, sind hohe Formgenauigkeiten und Oberflächengüten erforderlich. Mit einem reinen Fräsverfahren sind diese Anforderungen nicht erreichbar. Besonders die Oberflächengüte ist ohne weitere Bearbeitung ungenügend, da sich die Fräsbahnen im Oberflächenprofil der Blechteile abzeichnen. Eine automatisierte computergestützte Nachbearbeitung durch Schleifen mit festen Schleifkörpern ist nicht möglich, da es sich bei den zu bearbeitenden Flächen nahezu ausschließlich um Freiformflächen handelt. Eine Verbesserung der Oberfläche durch einen reduzierten Bahnabstand beim Fräsen ist theoretisch möglich, führt aber zu einer deutlich erhöhten Bearbeitungszeit. Damit ist das Verfahren nicht wirtschaftlich. Außerdem sind dieser Vorgehensweise technologische Grenzen gesetzt.
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Nach dem Fräsvorgang daher in der Regel manuelle Schleif- und Poliervorgänge durchgeführt. Dies generiert hohe Kosten und sehr lange Durchlaufzeiten. Aufgrund der manuellen Prozessführung sind diese Vorgänge zudem nicht reproduzierbar. Das Ergebnis ist somit vom jeweiligen Bediener abhängig.
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Ein Schleifwerkzeug nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1, mit dem gefräste Freiformflächen in einem automatisierten Verfahren mittels einer computergesteuerten Bearbeitungsmaschine nachbearbeitet werden können, ist aus
DE 10 2015 115313 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Schleifwerkzeug ist es mitunter schwierig, die erforderliche Flexibilität des Tellers optimal einzustellen, um die Frässpuren in möglichst wenigen Bearbeitungsschritten so zu legalisieren, dass möglichst wenig Abweichung zur Soll-Geometrie entsteht.
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Die vorliegende Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, ein verbessertes Schleifwerkzeug der gattungsgemäßen Art bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach liegt bei einem Schleifwerkzeug nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 dann eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, wenn der äußere Bereich des Tellers einen geschlitzten Bereich aufweist, in welchem sich mehrere, bezogen auf die Achse nach außen verlaufende und über den Umfang des Tellers verteilt angeordnete Schlitze bis zu einem äußeren Rand des Tellers erstrecken und den geschlitzten Bereich dadurch in mehrere federnde Zungen unterteilen. Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 17 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass die erforderliche Flexibilität des Tellers optimal eingestellt werden kann. Durch entsprechende Ausgestaltung der Schlitze ist es sogar möglich, einen speziellen Verlauf der Flexibilität in Abhängigkeit des jeweiligen Abstands von der Achse des Schleifwerkzeugs einzustellen, sodass sich der flexible Teller des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs bei entsprechender Ausrichtung relativ zur bearbeitenden Oberfläche optimal an die Bauteilkontur angelegt. Insbesondere der Randbereich des Tellers erfährt dabei bei entsprechender axialer Belastung des Schleifwerkzeugs eine axiale Auslenkung.
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Der Teller weist vorzugsweise keine Durchgangsbohrung für die Welle auf. Die Welle ist stattdessen vorzugsweise stirnseitig mit dem Teller verbunden. Weiter vorzugsweise sind Teller und Welle stoffschlüssig miteinander verbunden. Besonders bevorzugt ist der Teller mit der Welle verschweißt. Es ist jedoch auch denkbar, Teller und Welle miteinander zu verlöten oder zu verkleben. Die Grundform des Tellers ist rotationssymmetrisch zur Achse. Der erfindungsgemäß vorgesehene geschlitzte Bereich ist daher vorzugsweise ringförmig. Weiter vorzugsweise ist die Tellergrundform eben. Der Teller des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs ist somit vorzugsweise als einfache Scheibe ausgeführt. Für die folgenden Ausführungen gilt, dass Angaben wie „radial“ oder „axial“ auf die Achse des Schleifwerkzeugs bezogen sind. Die Schleifpartikel weisen vorzugsweise eine Knoop-Härte von mindestens 60 GPa auf. Dadurch wird die Standzeit des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs entsprechend optimiert. Besonders bevorzugt bestehen die Schleifpartikel aus kubischem Bornitrid. Der Einsatz dieses Schleifmittels ermöglicht besonders hohe Standzeiten bei vergleichsweise günstigen Herstellungskosten. Alternativ können auch Diamant-Schleifpartikel verwendet werden. Diese ermöglichen eine nochmals gesteigerte Standzeit, führen jedoch auch zu erhöhten Herstellungskosten.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Schlitze gleichmäßig über den Umfang des Tellers verteilt. Weiter vorzugsweise sind zumindest 4 Schlitze vorgesehen, die gleichmäßig über den Umfang des Tellers verteilt angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug kann beispielsweise 8 oder 12 Schlitze aufweisen.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verlaufen die Schlitze bezogen auf die Achse spiralförmig. Dadurch wird erreicht, dass sich die federnden Zungen optimal an die Bauteilkontur anlegen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der geschlitzte Bereich eine in radialer Richtung gemessene Breite auf, die zwischen 40 % und 90 % des halben Durchmessers des Tellers beträgt. Weiter vorzugsweise beträgt die in radialer Richtung gemessene Breite des geschlitzten Bereichs zwischen 50 % und 80 % des halben Außendurchmessers des Tellers.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Schlitze in einem in Umfangsrichtung wiederkehrenden Muster unterschiedliche Längen auf. Diese Ausführungsform erlaubt es, den Grad der Flexibilität des Tellers in Abhängigkeit des Abstands zur Achse des Schleifwerkzeugs in geeigneter Weise einzustellen. Besonders bevorzugt weisen die Schlitze genau zwei unterschiedliche Längen auf, wobei in Umfangsrichtung des Tellers betrachtet jeder zweite Schlitz kürzer ist als der jeweils vorangehende.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Schlitze eine Breite zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, weiter bevorzugt eine Breite zwischen 0,2 mm und 0,4 mm auf.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Teller einen Außendurchmesser zwischen 10 mm und 50 mm, bevorzugt zwischen 15 mm und 25 mm auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Teller eine Dicke zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, bevorzugt eine Dicke zwischen 0,2 mm und 0,4 mm auf. Bei dieser Dicke stellt sich, insbesondere bei Verwendung von Federstahl als Material für den Teller, die für die Nachbearbeitung erforderliche Flexibilität des Tellers ein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die starre Welle zumindest an dem axialen Ende, welches fest mit dem Teller verbunden ist, einen Durchmesser zwischen 5 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 8 mm auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Teller an einem Übergang zwischen dem mittleren Bereich und dem äußeren Bereich des Tellers gekröpft, sodass der äußere Bereich in axialer Richtung von dem axialen Ende der Welle weg versetzt ist. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich eine nochmals präzisere Flexibilität des Tellers.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein äußerster gewölbter Bereich des Tellers bezogen auf die Unterseite des Tellers konvex gewölbt. Dadurch wird zum einen sowohl die Nachbearbeitung stark konkav gewölbter Freiformflächen möglich. Zum anderen wird bei dieser Ausführungsform vermieden, dass bei der Nachbearbeitung sichtbare Schleifspuren entstehen. Vorzugsweise beträgt eine in radialer Richtung gemessene Breite des äußersten gewölbten Bereichs zwischen 20 % und 50 % der in radialer Richtung gemessenen Breite des geschlitzten Bereichs. Es wird darauf hingewiesen, dass der äußerste gewölbte Bereich ein ringförmiger Teilbereich des geschlitzten Bereichs ist. Weiter vorzugsweise beträgt der Radius der Wölbung zwischen 1 mm und 3 mm.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Teller aus einem Material, dessen E-Modul zwischen 150 Giga Pascal und 220 Giga Pascal, und bevorzugt zwischen 180 Giga Pascal und 210 Giga Pascal liegt. Trotz der erforderlichen Flexibilität des Tellers muss der Teller eine gewisse Steifigkeit aufweisen. Vor allen Dingen muss die Flexibilität des Tellers exakt einstellbar sein. Dies ist nur bei Verwendung von Materialien möglich, deren E-Modul in dem oben genannten Bereich liegt. Besonders bevorzugt liegt der Wert für das E-Modul bei etwa 190 Giga Pascal. Diesen Wert weist beispielsweise Federstahl auf, der besonders bevorzugt als Material für den Teller des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs zum Einsatz kommt. Der Teller besteht weiter vorzugsweise vollständig aus dem jeweils gewählten Material. Dies schließt nicht aus, dass der Teller beispielsweise auf der Oberseite mit einer Beschichtung versehen ist oder sich vollflächig an einem elastischen Stützkörper aus einem Elastomer abstützt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Durchmesser des Tellers weniger als 100 mm. Es hat sich gezeigt, dass zur Nachbearbeitung der meisten gefrästen Freiformflächen ein Durchmesser von weniger als 100 mm von Vorteil ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass eine maximal mögliche elastische axiale Auslenkung am Rand des Tellers bei bestimmungsgemäßem Einsatz des Schleifwerkzeugs zumindest das 0,02-fache des Durchmessers des Tellers beträgt. Die Elastizität des Tellers muss dazu derart abgestimmt sein, dass die gewünschte maximale axiale Auslenkung am Rand bei einem üblichen axialen Anpressdruck des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs erreicht werden kann. Nur so kann eine optimale Nachbearbeitung der gefrästen Oberfläche gewährleistet werden. Besonders bevorzugt beträgt die maximal mögliche elastische axiale Auslenkung am Rand des Tellers bei bestimmungsgemäßem Einsatz des Schleifwerkzeugs zumindest 2 mm. Weiter vorzugsweise beträgt sie maximal 3 mm.
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Das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug wird vorzugsweise mit einer computergesteuerten Bearbeitungsmaschine zur automatisierten Nachbearbeitung einer gefrästen Freiformflächen, insbesondere eines zur Herstellung von Karosseriebauteilen vorgesehenen Umformwerkzeugs, verwendet.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1: ein erfindungsgemäßes Schleifwerkzeug gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in Schrägansicht,
- 2: das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug aus 1 im Längsschnitt,
- 3: ein erfindungsgemäßes Schleifwerkzeug gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in Schrägansicht,
- 4: das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug aus 3 im Längsschnitt,
- 5: ein erfindungsgemäßes Schleifwerkzeug gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in Schrägansicht,
- 6: das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug aus 5 im Längsschnitt,
- 7: ein erfindungsgemäßes Schleifwerkzeug gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in Schrägansicht,
- 8: das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug aus 7 im Längsschnitt,
- 9: ein erfindungsgemäßes Schleifwerkzeug gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel in Schrägansicht, und
- 10: das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug aus 9 im Längsschnitt.
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Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. Sofern in einer Figur Bezugszeichen enthalten sind, auf die in der zugehörigen Figurenbeschreibung nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorangehende oder nachfolgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs 1 in einer Schrägansicht. Das Schleifwerkzeug weist eine starre Welle 2 zur Aufnahme des Schleifwerkzeugs in einem Spannmittel einer computergesteuerten Bearbeitungsmaschine und einen flexiblen Teller 3 auf. Welle 2 und Teller 3 sind konzentrisch zu einer Achse 7 des Schleifwerkzeugs angeordnet. Der flexible Teller 3 ist an einem axialen Ende der Welle 2 angeordnet und in einem mittleren Bereich 4 des Tellers, der in dem Längsschnitt aus 2 eingezeichnet ist, fest mit dem axialen Ende der Welle verbunden. Aufgrund der festen Verbindung mit dem axialen Ende der Welle ist der Teller in dem mittleren Bereich 4 steif. In einem äußeren Bereich 5, der ebenfalls in dem Längsschnitt aus 2 eingezeichnet ist, ist der Teller hingegen flexibel.
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Der Teller 3 besteht bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Federstahl und ist mit dem axialen Ende der Welle verschweißt. Wie aus 1 ersichtlich ist, liegt der Teller 3 flach auf dem Stirnende der Welle auf. Die Schweißverbindung besteht somit zwischen dem Stirnende der Welle und dem mittleren Bereich des Tellers.
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Eine der Welle abgewandte Unterseite 6 des Tellers ist mit einem Schleifbelag versehen, der superharte Schleifpartikel mit einer Knoop Härte von mindestens 40 Giga Pascal aufweist. Der Schleifbelag ist zumindest in einem ringförmigen Randbereich auf die Unterseite des Tellers aufgebracht. Die Unterseite 6 des Tellers kann auch vollständig mit dem Schleifbelag versehen sein. Der Schleifbelag wird vorzugsweise galvanisch auf die Unterseite 6 des Tellers aufgebracht.
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Wie 1 zeigt, weist der äußere Bereich des Tellers einen geschlitzten Bereich auf, in welchem sich mehrere, bezogen auf die Achse nach außen verlaufende und über den Umfang des Tellers verteilt angeordnete Schlitze 9 bis zu einem äußeren Rand 10 des Tellers erstrecken und den geschlitzten Bereich dadurch in mehrere federnde Zungen 11 unterteilen. Insgesamt sind 8 Schlitze gleichmäßig über den Umfang des Tellers verteilt angeordnet. Die Schlitze sind bezogen auf die Achse 7 des Schleifwerkzeugs 1 spiralförmig ausgebildet. Der geschlitzte Bereich ist ringförmig und in 2 mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet. Vorzugsweise ist der geschlitzte Bereich 8 ein Teilbereich des äußeren Bereichs 5. Eine in radialer Richtung gemessene Breite des geschlitzten Bereichs 8 beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 75 Prozent der radialen Breite des äußeren Bereichs 5. Bezogen auf den Radius des Tellers beträgt die radiale Breite des geschlitzten Bereichs etwa 55 %. Der absolute Wert des Durchmessers des Tellers beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel 20 mm.
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Bei dem Ausführungsbeispiel aus den 1 und 2 ist die Grundform des Tellers 3 als einfache ebene Scheibe ausgeführt. Die 3 und 4 zeigen dasselbe Schleifwerkzeug in leicht abgewandelter Form, wobei der äußerste Bereich 13 des Tellers konvex gewölbt ist. Der Radius R der Wölbung beträgt etwa 2 mm.
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Die 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Grundform des Tellers 3 gemäß einer ebenen Scheibe ausgeführt ist. Anders als bei dem Ausführungsbeispiel aus den 1 und 2 weisen die Schlitze keine einheitliche Länge auf. Die Schlitze 9.1 sind etwas länger als die Schlitze 9.2. Jeder zweite Schlitz in Umfangsrichtung betrachtet ist somit etwas kürzer als der unmittelbar vorangehende Schlitz. Die längeren Schlitze 9.1 erstrecken sich über die radiale Breite des in 6 eingezeichneten geschlitzten Bereichs 8.1. Die kürzeren Schlitze 9.2 erstrecken sich über eine geringere radiale Breite, die in 6 mit dem Bezugszeichen 8.2 verdeutlicht ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt 12 Schlitze vorgesehen, wobei der Teller 6 längere Schlitze 9.1 und 6 kürzere Schlitze 9.2 aufweist. Der absolute Wert des Durchmessers des Tellers beträgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel 25 mm.
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Eine Abwandlung des in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiels ist in den 7 und 8 gezeigt. Ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel aus den 3 und 4 ist auch hier der äußerste Bereich des Tellers gewölbt ausgeführt. Der Radius R der Wölbung beträgt hier etwa 2,5 mm.
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Die 9 und 10 zeigen wiederum eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus den 7 und 8. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Teller an einem Übergang zwischen dem mittleren Bereich und dem äußeren Bereich des Tellers gekröpft, sodass der äußere Bereich in axialer Richtung von dem axialen Ende der Welle weg versetzt ist. Die Kröpfung ist in den Figuren mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015115313 A1 [0006]
