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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Düsenspannmutter mit Außennuten, wobei durch spanendes Abtragen von Material an einer Außenkontur eines Rohlings der Düsenspannmutter die Außennuten ausgebildet werden. Zudem betrifft die Erfindung eine Düsenspannmutter mit Außennuten, die durch ein solches neues Verfahren hergestellt wird.
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Die Herstellung von Düsenspannmuttern ist aus dem Stand der Technik bekannt. So werden Düsenspannmuttern als Drehteile hergestellt, auf die eine Schlüsselfläche (Sechskant, Achtkant) mittels einer umlaufenden Mehrkantdreheinrichtung eingebracht wird. Bei dieser Systematik zur Herstellung von Düsenspannmuttern wird das rotierende Werkstück gegen die umlaufenden Meißel (Schneiden) bewegt. Die Drehzahl des Werkstücks ist hierbei auf die Anzahl der Schlagwerkzeuge abgestimmt, damit die Schneiden jeweils an denselben Stellen des Werkstückumfangs in Eingriff kommen. Das gängige Drehzahl-Übersetzungsverhältnis (i) von Messerkopf zu Werkstück liegt bei i = 2. Dies bedeutet, dass der Messerkopf nur halb so viele Schneiden aufweist wie Schlüsselflächen am Werkstück sind.
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In
DE 10 2012 111 459 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Außennuten an einer Düsenspannmutter beschrieben, bei der die Außennuten mittels eines spanenden Stoßverfahrens durch ein Werkzeug nacheinander erzeugt werden. Durch die hohen Belastungen entsteht hoher Verschleiß am Stoßwerkzeug. Die Stückzeit lässt sich auf Grund der am Umfang der Düsenspannmutter nacheinander erfolgenden Erzeugung der Außennuten nicht beliebig reduzieren.
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DE 199 53 089 A1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung eines periodischen Profils auf einem zumindest näherungsweise rotationssymmetrischen Rohling, wobei zur Erzeugung der periodischen Strukturen die Kinematik des Wälzschälens verwendet wird. Hierzu werden das Werkstück und das Werkzeug während eines Arbeitsschrittes rotiert.
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DE 20 2011 050 054 U1 offenbart ein Wälzschälwerkzeug zum Herstellen einer rotationssymmetrischen, periodischen Struktur an einem Werkstück mittels eines Wälzschälverfahrens. Das Wälzschälwerkzeug weist einen Grundkörper mit einer zentralen Rotationsachse, einer Mehrzahl z von Aufnahmeöffnungen und einer Mehrzahl n von Messerstäben auf. Die Aufnahmeöffnungen sind gleichmäßig um die zentrale Rotationsachse herum angeordnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Düsenspannmuttern mit Außennuten zu verbessern. Dabei sind kurze Herstellungszeiten und geringe Stückkosten von Vorteil.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Außennuten mittels eines spanenden Wälzschälverfahrens erzeugt werden, bei dem ein rotierendes Wälzschälwerkzeug zum spanenden Abtragen entlang einer Längsrichtung, insbesondere einer Längsrichtung des Rohlings, relativ zum (ebenfalls) rotierenden Rohling der Düsenspannmutter (vorbearbeitetes, bereits die Kontur der Düsenspannmutter aufweisendes Werkstück) bewegt wird, wobei durch das spanende Abtragen von Material am Rohling durch das Wälzschälwerkzeug die Außennuten erzeugt werden. Dabei rotiert das Wälzschälwerkzeug mit höherer Drehzahl als der Rohling der Düsenspannmutter.
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Durch Anwendung eines spanenden Wälzschälverfahrens lässt sich die Herstellung der Düsenspannmutter erheblich optimieren. Da das Wälzschälwerkzeug als auch der Rohling der Düsenspannmutter rotieren, lassen sich relativ hohe Schnittgeschwindigkeiten realisieren. Somit können die Außennuten in vergleichsweise kurzer Zeit ausgebildet werden, was zu einer geringen Stückzeit beiträgt. Zudem kann auf Grund der vergleichsweise geringen Belastung des Wälzschälwerkzeugs eine hohe Werkzeugstandzeit erreicht werden. Auch ein Nachschleifen (erneutes Schärfen) des Wälzschälwerkzeugs ist möglich. Dies wirkt sich positiv auf die Stückkosten aus. Im Ergebnis ist vergleichsweise eine qualitativ bessere Fertigung einer Düsenspannmutter mit Außennuten in kurzer Zeit ermöglicht.
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Beim Wälzschälen (auch als „Skiving“ oder „Scudding“ bezeichnet) erfolgt ein spanender Materialabtrag mittels kontinuierlicher Wälzbewegung von Wälzschälwerkzeug und Werkstück (Rohling der Düsenspannmutter). Parallel zur kontinuierlichen Schälbewegung der sich kreuzenden (windschiefen) Achsen (Werkstückachse und Achse des Wälzschälwerkzeugs) verschiebt sich das bspw. auf dem Werkzeugträger positionierte Wälzschälrad linear, in Form einer (translatorischen) Vorschubbewegung in der Werkstückachse (Längsrichtung bspw. der Düsenspannmutter).
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Das Wälzschälwerkzeug weist insbesondere ein Wälzschälrad mit einer bestimmten Anzahl von Schneiden auf, die zur spanenden Bearbeitung des Rohlings der Düsenspannmutter (Erzeugung der Außennuten) dienen. Das Wälzschälwerkzeug wird über den Werkzeugschaft in einem Spannfutter oder einem Spannkopf der Antriebsspindel insbesondere auf dem Seitenschlitten montiert.
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Bei der Düsenspannmutter handelt es sich um ein Element eines Einspritzinjektors für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Verbrennungsmotor. Die Düsenspannmutter hat dabei die Funktion, den Düsenkörper (nachfolgend auch „Haltekörper“ genannt) mit der Düsennadel zu verbinden. Hierzu wird die Düsenspannmutter mit ihrem Innengewinde auf den Haltekörper geschraubt.
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Die Außennuten bilden in ihrer Gesamtheit insbesondere eine Vielnutaußengeometrie. Der die Außennuten enthaltende Abschnitt stellt einen Werkzeugangriffsabschnitt für ein Montagewerkzeug da, welches mit den Außennuten korrespondierende, insbesondere komplementäre, Eingriffsabschnitte aufweist.
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Bei den kommenden Generationen von Düsenspannmuttern ist eine hohe Vielfalt an Außennutvarianten wünschenswert, um die Gefahr von Verwechslungen zu minimieren. Des Weiteren können durch die Außennuten höhere Drehmomente vom Anzugswerkzeug auf die Düsenspannmutter übertragen werden. Eine Aufweitung des Innengewindes durch die bei der Montage entstehenden Torsionskräfte tritt bei einer Vielnutaußengeometrie nicht auf.
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Im Rahmen eines bevorzugten Produktionskonzeptes können die Außennuten in mehreren spanenden Abtragsschritten, insbesondere in zwei bis vier Abtragsschritten, vorzugsweise in drei Abtragsschritten, erzeugt werden. Dies trägt zu einer genauen Bearbeitung und einer präziseren Ausgestaltung der Außennut bei. Durch die Anwendung mehrerer Abtragsschritte ist zudem das Wälzschälwerkzeug vergleichsweise geringen Belastungen ausgesetzt, was die Werkzeugstandzeit begünstigt.
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Ein Abtragsschritt kann derart erfolgen, dass das Wälzschälwerkzeug an einer ersten axialen Position (Ausgangspunkt), bspw. tangential, in den Rohling der Düsenspannmutter eintaucht, eine spanende Bearbeitung vornimmt und dabei in Längsrichtung des Rohlings (Vorschubrichtung) zu einer zweiten axialen Position verfahren wird (Endpunkt), bis die gesamte Länge der Außennut ausgebildet ist (Arbeitshub). Ein Abtragsschritt kann mit einem Längsvorschub, bspw. in -z-Richtung (zur Spindel hin), von 200-700mm/min erfolgen (Arbeitsgang). Für einen weiteren Arbeitsschritt wird das Wälzschälwerkzeug zurück an den Ausgangspunkt verfahren (Leerhub), um dort erneut in den Rohling einzutauchen und die Außennuten zu bearbeiten. Das Verfahren zum Ausgangspunkt erfolgt insbesondere im Eilgang. Von Abtragsschritt zu Abtragsschritt wird insbesondere die radiale Zustellung auf den Rohling der Düsenspannmutter stufenweise erhöht.
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In vorteilhafter Weise kann das Wälzschälwerkzeug gegenläufig zum Rohling der Düsenspannmutter rotieren. Hierdurch lassen sich bei großer Laufruhe relativ hohe Schnittgeschwindigkeiten erzielen. Dies trägt zu einer schnellen und zugleich genauen Nuterzeugung ohne größere Gratbildung bei.
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Wie oben bereits erläutert, wird erfindungsgemäßdas Wälzschälwerkzeug mit höherer Drehzahl rotiert als der Rohling der Düsenspannmutter. Dies erlaubt die Verwendung eines Wälzschälwerkzeugs, dessen Wälzschälrad mehr Schneiden aufweist als die Düsenspannmutter Außennuten hat bzw. bekommen soll, was wiederum zu einer hohen Werkzeugstandzeit beiträgt. Hiermit wird eine einheitliche Ausgestaltung der Außennuten begünstigt, da im Rahmen der Erzeugung der Außennuten nicht immer dieselbe Schneide mit derselben Außennut in Eingriff gelangt. Bspw. kann die Düsenspannmutter neun Außennuten aufweisen und das Wälzschälrad zwölf Schneiden. Das Drehzahlverhältnis von Rohling zu Wälzschälrad kann bspw. 1:1,5 betragen. Auch andere Kombinationen und/oder Drehzahlverhältnisse sind denkbar.
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In zweckmäßiger Weise kann der Rohling der Düsenspannmutter vor und beim Erzeugen der Außennuten stoffschlüssig (einstückig) mit einem als Ausgangsmaterial für die Düsenspannmutter dienendem Stangenmaterial verbunden sein. Dadurch ist die Fertigung in hoher Stückzahl begünstigt, da die Düsenspannmutter bzw. deren Rohling direkt am Stangenmaterial ausgebildet wird. Ein Nachführen des Rohmaterials (Stangenmaterial) wird insbesondere mittels eines Stangenladers oder eines Lademagazins bewerkstelligt.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Rohling der Düsenspannmutter nach Erzeugen der Außennuten vom Stangenmaterial abgestochen werden. Somit kann der Rohling vom Stangenmaterial abgetrennt werden, so dass die fertige Düsenspannmutter mittels einer Werkstückabführeinheit aufgefangen wird. Das fertige Bauteil bzw. die Düsenspannmutter wird (unmittelbar) insbesondere während oder nach dem Abstechen von einer Gegenspindel gegriffen , damit der durch das Abstechen entstandene Grat nachbearbeitet, bspw. „abgedreht“ oder „überdreht“ werden kann. Anschließend fängt eine Werkstückabführeinheit die fertige Düsenspannmutter auf und befördert diese auf ein Transportband bzw. einen Werkstücksammler.
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In vorteilhafter Weise kann der Rohling der Düsenspannmutter mittels einer Arbeitsspindel (Hauptspindel) und das Wälzschälwerkzeug mittels eines Zusatzantriebs rotiert werden. Dies erleichtert die Bearbeitung, da der Rohling von der Hauptspindel geführt wird, die auch zur Nachführung von Ausgangsmaterial (Stangenmaterial) dient, wie oben beschrieben.
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Die Erzeugung der Außennuten der Düsenspannmutter erfolgt insbesondere auf einer Mehrspindeldrehmaschine in einer hierzu bestimmten Arbeitsposition. Parallel hierzu können sämtliche Bearbeitungsoperationen zur Herstellung der Düsenspannmutter in den jeweiligen Arbeitslagen stattfinden. Der letzte Fertigungsschritt der Düsenspannmutter umfasst insbesondere das Abstechen des Bauteils am Stangenmaterial und das Abführen aus der Maschine.
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Je nach Herstellung können die Rotationsachse des Rohlings der Düsenspannmutter und die Rotationsachse des Wälzschälwerkzeugs in zueinander parallelen Ebenen liegen und in einem spitzen Winkel, insbesondere einem Winkel von 5° bis 25°, vorzugsweise von 10° bis 20°, weiter vorzugsweise von 15°, zueinander stehen (sog. Achskreuzwinkel).Anders ausgedrückt können die Rotationsachse des Rohlings der Düsenspannmutter und die Rotationsachse des Wälzschälwerkzeugs jeweils einen Normalenvektor einer (geometrischen) Ebene darstellen, wobei sich diese Ebenen unter dem oben erläuterten spitzen Winkel schneiden (Rotationsachsen stehen „windschief“ zueinander). Hiermit lassen sich die gewünschten Außennuten ausbilden und die Zerspanungseigenschaften in Bezug auf Spanform, Spanwinkel und Zerspanungskräfte bestimmen (steuern).
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Eine Düsenspannmutter mit Außennuten kann nach dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestellt sein bzw. werden. Zur weiteren Formgebung der Düsenspannmutter können die voranstehend beschriebenen Maßnahmen dienen (die durch die Verfahrensschritte der Düsenspannmutter einverleibten Merkmale).
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert, wobei Komponenten ggf. lediglich einmal mit Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen:
- 1 den Rohling einer Düsenspannmutter und das Wälzschälwerkzeug in einer Seitenansicht, wobei die Längsachse des Wälzschälwerkzeugs zur Zeichenebene parallel ist;
- 2 den Rohling der Düsenspannmutter und das Wälzschälwerkzeug aus 1 in einer Draufsicht;
- 3 den Rohling der Düsenspannmutter und das Wälzschälwerkzeug aus 1 in einer perspektivischen Draufsicht;
- 4 den Rohling der Düsenspannmutter und das Wälzschälwerkzeug aus 1 in einer Ansicht, in der die Längsachse des Wälzschälwerkzeugs orthogonal zur Zeichenebene orientiert ist; und
- 5 eine vergrößerte Ansicht des in 4 eingezeichneten Details A.
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1 zeigt den Rohling einer Düsenspannmutter 11 (teilbearbeitetes Werkstück), der insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Rohling 10 weist bereits die Außenkontur 12 der späteren Düsenspannmutter 11 auf. Die Außenkontur 12 weist einen ersten, radial größeren Abschnitt 14 und einen zweiten, radial verjüngten Abschnitt 16 auf. Im zweiten Abschnitt 16 (späterer Werkzeugangriffsabschnitt) sind Außennuten 18 ausgebildet, die bereits durch mindestens einen spanenden Abtragsschritt erzeugt worden sind.
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Der Rohling 10 ist über einen Verbindungsabschnitt 20 (Zwischenabschnitt) einstückig mit Stangenmaterial 22 verbunden, welches als Ausgangsmaterial für die Düsenspannmutter 11 dient (siehe 2). Das Stangenmaterial 22 wird durch eine Arbeitsspindel 24 gehalten und kann um eine erste Rotationsachse 26 rotiert werden. Die erste Rotationsachse 26 stellt die Rotationsachse 26 des Rohlings 10 der Düsenspannmutter 11 dar (kongruent mit der Längsachse des Rohlings 10).
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In 1 ist zudem das Wälzschälwerkzeug 28 gezeigt, mittels dem das spanende Wälzschälverfahren durchgeführt wird. Das Wälzschälwerkzeug 28 weist ein Wälzschälrad 30 mit mehreren Schneiden 32 und einen sich vom Wälzschälrad 30 erstreckenden Werkzeugschaft 34 auf.
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Das Wälzschälwerkzeug 28 wird mittels einer Gegenspindel einer verfahrbaren und/oder verschwenkbaren Gegeneinheit (nicht dargestellt) um eine zweite Rotationsachse 36 rotiert (Rotationsachse 36 des Wälzschälwerkzeugs 28). Das Wälzschälwerkzeug 28 kann zur Ausbildung der Außennuten 18 durch die Gegeneinheit entlang einer Längsrichtung 38 verfahren und bezogen auf den Rohling 10 auch radial zugestellt werden. 1 zeigt das Wälzschälwerkzeug 28 in einer Position, in der Schneiden 32 des Wälzschälrads 30 an einem Ausgangspunkt 40 in den Rohling 10 eingetaucht sind und durch Verfahren entlang der Längsrichtung 38 bereits einen Abtragsschritt durchgeführt haben.
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Die 2 und 3 veranschaulichen den Rohling 10 der späteren Düsenspannmutter 11 sowie das Wälzschälwerkzeug 28. Die Rotationsachse 26 des Rohlings 10 der Düsenspannmutter 11 und die Rotationsachse 36 des Wälzschälwerkzeugs 28 liegen in zueinander parallelen Ebenen und stehen(in Draufsicht betrachtet) in einem Winkel von 15° zueinander (Achskreuzwinkel). Die 1 bis 3 zeigen das Wälzschälwerkzeug 28 in einer Position, in der die Schneiden 32 einen Endpunkt 42 erreicht haben, womit ein Abtragsschritt zur Ausbildung der Außennuten 18 abgeschlossen ist.
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Die 4 und 5 veranschaulichen in vergrößerten Ansichten die Außennuten 18 am Rohling 10 der Düsenspannmutter 11 sowie die Schneiden 32 des Wälzschälrades 30. Im Ausführungsbeispiel werden am Rohling 10 neun Außennuten 18 erzeugt. Das Wälzschälrad 30 weist zwölf Schneiden 32 auf.
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Das Herstellverfahren der Düsenspannmutter kann wie folgt ablaufen, wobei zunächst die Herstellschritte der Düsenspannmutter vor der Ausgestaltung der Außennuten 18 beschrieben wird (Abfolge der Schritte beispielhaft und auch in anderer Reihenfolge denkbar):
- Zunächst wird das Stangenmaterial 22 (Ausgangsmaterial) von der Arbeitsspindel 24 (Hauptspindel) zugeführt, wodurch sich ein bearbeitbarer Werkstückabschnitt ergibt (Werkstückzuführung), so dass ausgehend von einem Abschnitt des Stangenmaterials 22 der Rohling 10 der Düsenspannmutter 11 ausgebildet werden kann.
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Anschließend erfolgt durch ein Bohrwerkzeug ein Bohrvorgang, mit dem der sich in Längsrichtung 38 erstreckende Innenraum des Rohlings 10 der Düsenspannmutter (der spätere Durchgang der Düsenspannmutter) ausgebildet wird (nicht dargestellt). Mittels entsprechender Drehwerkzeuge erfolgt eine Bearbeitung der Innenkontur, insbesondere eine Grob- und Feinbearbeitung, ggf. mittels verschiedener Ausdrehwerkzeuge. Anschließend wird durch ein entsprechendes Werkzeug ein Innengewinde eingebracht (nicht dargestellt).
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Zuvor, gleichzeitig oder danach kann eine Herstellung der Außenkontur 12 des Rohlings 10 der Düsenspannmutter erfolgen, insbesondere in Form einer Grob- und Feinbearbeitung, ggf. mittels unterschiedlicher Drehwerkzeuge.
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Danach werden die Außennuten 18 des Rohlings 10 der Düsenspannmutter erzeugt. Dies erfolgt durch spanendes Abtragen von Material an der Außenkontur 12 des Rohlings 10 der Düsenspannmutter. Die Außennuten 18 werden mittels eines spanenden Wälzschälverfahrens erzeugt, bei dem das rotierende Wälzschälwerkzeug 28 zum spanenden Abtragen entlang der Längsrichtung 38 (Vorschubrichtung) relativ zum ebenfalls rotierenden Rohling 10 der Düsenspannmutter 11 bewegt wird, wodurch die Außennuten 18 erzeugt werden.
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Die Außennuten 18 werden in mehreren spanenden Abtragsschritten, insbesondere in zwei bis vier Abtragsschritten, erzeugt. Ein Abtragsschritt kann derart erfolgen, dass das Wälzschälwerkzeug 28 an einem Ausgangspunkt 40 in den Rohling 10 eintaucht, eine spanende Bearbeitung vornimmt und dabei in Längsrichtung 38 (Vorschubrichtung) zu einem Endpunkt 42 verfahren wird (Arbeitshub). Für einen weiteren Arbeitsschritt wird das Wälzschälwerkzeug 28 zurück an den Ausganspunkt 40 verfahren (Leerhub), um dort - unter radialer Zustellung - erneut in den Rohling 10 einzutauchen und die Außennuten 18 zu bearbeiten. Der radial verjüngte Verbindungsabschnitt 20 dient als Freiraum für das Wälzschälwerkzeug 28 bzw. dessen Wälzschälrad 30.
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Das Wälzschälwerkzeug 28 rotiert gegenläufig zum Rohling 10 der Düsenspannmutter 11. Zudem rotiert das Wälzschälwerkzeug 28 mit höherer Drehzahl als der Rohling 10, wie oben beschrieben.
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Der Rohling 10 der Düsenspannmutter 11 ist vor und beim Erzeugen der Außennuten 18 stoffschlüssig (einstückig) mit dem als Ausgangsmaterial für die Düsenspannmutter dienenden Stangenmaterial 22 verbunden.
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Der Rohling 10 der Düsenspannmutter wird mittels einer Arbeitsspindel 24 rotiert und das Wälzschälwerkzeug 28 wird mittels eines Zusatzantriebs einer Gegeneinheit rotiert (nicht dargestellt). Die Rotationsachse 26 des Rohlings 10 der Düsenspannmutter und die Rotationsachse 36 des Wälzschälwerkzeugs 28 liegen in zueinander parallelen Ebenen und stehen in einem spitzen Winkel, im Ausführungsbeispiel in einem Winkel von 15°, zueinander (Achskreuzwinkel).
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Nach einem Erzeugen der Außennuten 18 wird der Rohling 10 der Düsenspannmutter vom Stangenmaterial 22 abgestochen, insbesondere im Verbindungsabschnitt 20. Das fertige Bauteil bzw. die Düsenspannmutter kann während oder nach dem Abstechen von einer Gegenspindel (nicht dargestellt) gegriffen werden, damit der durch das Abstechen entstandene Grat nachbearbeitet, bspw. „abgedreht“ oder „überdreht“ werden kann. Nach Abschluss dieser Bearbeitung liegt eine fertige Düsenspannmutter 11 mit Außennuten 18 vor.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rohling
- 11
- Düsenspannmutter
- 12
- Außenkontur
- 14
- erster Abschnitt
- 16
- zweiter Abschnitt
- 18
- Außennuten
- 20
- Verbindungsabschnitt
- 22
- Stangenmaterial
- 24
- Arbeitsspindel
- 26
- erste Rotationsachse
- 28
- Wälzschälwerkzeug
- 30
- Wälzschälrad
- 32
- Schneiden
- 34
- Werkzeugschaft
- 36
- zweite Rotationsachse
- 38
- Längsrichtung
- 40
- Ausgangspunkt
- 42
- Endpunkt
