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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur mechanischen Finishbearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes, umfassend einen das Werkstück haltenden Werkstückhalter, einen den Werkstückhalter und/oder das Werkstück in eine Werkstückbewegung versetzenden Werkstückantrieb, ein Finishwerkzeug, wobei das Finishwerkzeug aus in einem Bindemittel gebundenen Körnern gebildet ist und das Finishwerkzeug einen hohlzylindrischen Abschnitt aufweist, an dem eine Bearbeitungsfläche des Finishwerkzeuges ausgebildet ist, einen das Finishwerkzeug haltenden Werkzeughalter und einen Werkzeugantrieb zum rotatorischen Antrieb des Werkzeughalters um eine Rotationsachse, wobei zur Finishbearbeitung der Werkzeughalter und/oder der Werkstückhalter bewegt werden, so dass die Oberfläche des Werkstückes relativ zu der Rotationsachse des Finishwerkzeuges bewegt wird und die Rotationsachse des Finishwerkzeuges in jeder Stellung senkrecht auf der Oberfläche des Werkstückes ausgerichtet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur mechanischen Finishbearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes und insbesondere ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend die folgenden Schritte:
- - Aufsetzen eines Finishwerkzeuges auf die Oberfläche des Werkstückes, wobei das Finishwerkzeug aus in einem Bindemittel gebundenen Körnern gebildet ist und das Finishwerkzeug einen hohlzylindrischen Abschnitt aufweist, an dessen Stirnseite eine Bearbeitungsfläche des Finishwerkzeuges ausgebildet ist,
- - Antreiben des Finishwerkzeuges zu einer Rotationsbewegung um eine Rotationsachse,
- - Antreiben des Werkstückes zu einer Werkstückbewegung, wobei die Oberfläche des Werkstückes relativ zu der Rotationsachse des Finishwerkzeuges bewegt wird und die Rotationsachse des Finishwerkzeuges in jeder Stellung senkrecht auf der Oberfläche des Werkstückes ausgerichtet ist.
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Die Finishbearbeitung ist auch als Microfinishbearbeitung oder Superfinishbearbeitung bekannt. Bei der Finishbearbeitung von planen Werkstückoberflächen oder von sphärischen, insbesondere kalottenförmigen Werkstückoberflächen mittels eines rotierenden Finishwerkzeuges wird die Oberfläche des Werkstückes relativ zu dem Finishwerkzeug so bewegt, dass es zu einer Art Kreuzschliff kommt. Die Erfindung betrifft Finishwerkzeuge mit einer geometrisch unbestimmten Schneide, die in einem Sinterprozess hergestellt werden. Hierzu sind in einem Bindemittel die Schneidkanten aufweisenden Körner gebunden. Aufgrund dieses Aufbaus sind die Finishwerkzeuge empfindlich gegen hohe mechanische Belastungen. Die Finishwerkzeuge unterliegen zudem einem hohen Verschleiß und müssen daher häufig gewechselt werden.
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Die Erfindung betrifft solche Finishwerkzeuge, die vollständig eine Hülsenform (im Sinne eines Rohrabschnittes) aufweisen oder bei denen an einem Ende eines hülsenförmigen Abschnittes insbesondere einteilig ein bevorzugt aus dem Bindemittel und Körnern bestehender Deckel mit einer (zentralen) Bohrung ausgebildet ist. Die letztgenannten Finishwerkzeuge werden auch als Topfscheibe bezeichnet. Die Bearbeitungsfläche ist hierbei insbesondere an einer Stirnseite des hülsenförmigen Abschnitts ausgebildet.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die ausschließlich hülsenförmigen Finishwerkzeuge durch Kleben an einem Werkzeughalter befestigt werden. Die Topfscheiben werden entweder ebenfalls durch Kleben oder mittels einer durch die zentrale Bohrung geführte Schraube an dem Werkzeughalter befestigt. Durch die Vorbereitung des Klebers und das notwendige Entfernen der Kleberrückstände ist das Befestigen mittels Klebers sehr aufwendig. Beim Schrauben können Kleinteile verloren gehen. Zudem ist beim Schrauben eine Vorrichtung zur Halterung des Finishwerkzeuges sinnvoll, um beide Hände bei der Montage über Kopf direkt an dem Werkzeughalter frei zu haben. Der Wechsel der Finishwerkzeuge führt daher zu ungewünschten Maschinenstillständen.
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Darüber hinaus sind die Finishwerkzeuge mit den vorgenannt beschriebenen Befestigungen nur schlecht an dem Werkzeughalter zentrierbar. Dies führt dazu, dass bei der Bearbeitung schlechte Rundlaufeigenschaften vorliegen.
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Eine Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen, bei der eine Topfscheibe mittels einer Schraube an dem Werkzeughalter befestigt ist, ist beispielsweise jeweils aus
DE 10 2016 014 515 B4 und
DE 37 23 995 A1 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die mit Bezug zum Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur mechanischen Finishbearbeitung einer Oberfläche anzugeben, mit denen das Finishwerkzeug einfacher wechselbar ist und besser an dem Werkzeughalter zentriert ist.
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Gelöst werden diese Aufgaben mit einer Vorrichtung und einem Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei einzelne Merkmale der vorteilhaften Ausgestaltungen in technisch sinnvoller Weise beliebig miteinander kombinierbar sind.
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Gelöst werden die Aufgaben insbesondere dadurch, dass der Werkzeughalter als Spannvorrichtung ausgebildet ist, wobei die Spannvorrichtung von einem Ausgangszustand in einen Spannzustand überführbar ist, wobei das Finishwerkzeug in dem Ausgangszustand an der Spannvorrichtung platzierbar ist und das Finishwerkzeug in dem Spannzustand unmittelbar durch eine radial auf das Werkzeug wirkende Spannkraft von der Spannvorrichtung gehalten wird.
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Die Erfindung sieht in ihrem Grundgedanken also vor, dass das vollständig aus einer als gebrechlich aufzufassenden Materialzusammensetzung bestehende Finishwerkzeug mittels einer in radialer Richtung auf das Finishwerkzeug wirkenden Kraft eingespannt wird. Das Finishwerkzeug muss somit in dem Ausgangszustand der Spannvorrichtung lediglich an dieser platziert werden und wird sodann durch Überführen der Spannvorrichtung aus dem Ausgangszustand in den Spannzustand an der Spannvorrichtung festgelegt. Auf Klebstoff oder Schrauben zur Festlegung kann somit verzichtet werden. Darüber hinaus wird das Finishwerkzeug mittels der Spannvorrichtung automatisch zentriert, so dass auch die Rundlaufeigenschaften des Finishwerkzeuges während der Finishbearbeitung verbessert sind. Somit ist es aber auch ohne weiteres möglich, ein einmal benutztes Finishwerkzeug auszuwechseln und wiederzuverwenden, was insbesondere bei Kleinserien vorteilhaft ist.
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Die Spannvorrichtung kann beispielsweise mit einem, bevorzugt durch mehrere Spannelemente gebildeten Abschnitt in die zentrale Bohrung des Deckels der Topfscheibe oder unmittelbar in den hülsenförmigen Abschnitt des Finishwerkzeuges eingebracht werden, wobei durch Überführen der Spannvorrichtung aus dem Ausgangszustand in den Spannzustand das Finishwerkzeug befestigt wird, wobei das Finishwerkzeug somit radial von innen eingespannt wird.
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Alternativ kann die Spannvorrichtung zumindest mit einem beispielsweise durch mehrere Spannelemente gebildeten Abschnitt das Finishwerkzeug außen übergreifen, wozu das Finishwerkzeug in die Spannvorrichtung eingebracht werden kann, wobei das Finishwerkzeug somit radial von außen eingespannt wird. Dies ist insbesondere bei Werkzeugen mit relativ kleinem Außendurchmesser vorteilhaft. Zudem kann durch diese Einspannung das Finishwerkzeug bei der Finishbearbeitung von kugelförmigen Werkstückabschnitten optimal ausgenutzt werden.
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Die Spannvorrichtung ist insbesondere so ausgebildet, dass ein, bevorzugt durch mindestens ein Spannelement ausgebildeter (Innen- oder Außen-) Umfangsdurchmesser aus dem Ausgangszustand höchstens um 5 mm [Millimeter], bevorzugt um höchstens 3 mm, besonders bevorzugt um höchstens 1 mm veränderbar ist. Somit kann verhindert werden, dass zu hohe Auslenkungen/Kräfte auf das Finishwerkzeug wirken, die zu einer Zerstörung des Finishwerkzeuges führen könnten. Ist beispielsweise ein Abschnitt der Spannvorrichtung in einer Aufnahme (Bohrung im Deckel oder Innendurchmesser des hülsenförmigen Abschnitts) einbringbar, so ist der Außendurchmesser dieses einbringbaren Abschnitts aus dem Ausgangszustand höchstens um 5 mm vergrößerbar. Umgibt hingegen ein Abschnitt der Spannvorrichtung den hülsenförmigen Abschnitt des Finishwerkzeuges außen, so ist der diesbezügliche Innendurchmesser der Spannvorrichtung aus dem Ausgangszustand höchstens um 5 mm verkleinerbar.
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Die Überführung der Spannvorrichtung aus dem Ausgangszustand in den Spannzustand und damit insbesondere eine Veränderung des entsprechenden Umfangsdurchmessers kann mechanisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder piezoelektrisch erfolgen. Beispielsweise kann eine oder mehrere Kammern (als Spannelement) in der Spannvorrichtung ausgebildet sein, die hydraulisch oder pneumatisch expandierbar ist/sind, so dass sich ein Umfangsdurchmesser der Spannvorrichtung ändert.
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Alternativ kann ein oder mehrere piezoelektrischen Elemente (als Spannelemente) an der Spannvorrichtung ausgebildet sein, mit denen oder mit dem der Umfangsdurchmesser veränderbar ist.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Spannvorrichtung mehrere insbesondere in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Spannelemente sowie einen diese Spannelemente tragenden Grundkörper aufweist. Auf diese Weise kann eine besonders gute Zentrierung erreicht werden.
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Insbesondere zur mechanischen Überführbarkeit der Spannvorrichtung aus dem Ausgangszustand in den Spannzustand kann vorgesehen sein, dass die mehreren Spannelemente gelenkig an dem Grundkörper angeordnet sind.
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Hierbei ist insbesondere bevorzugt, wenn die Spannelemente einteilig mit dem Grundkörper ausgebildet sind, so dass eine Art Feststoffgelenk zwischen dem Grundkörper und dem jeweiligen Spannelement ausgebildet wird. Ein Feststoffgelenk kann beispielsweise dadurch ausgebildet werden, dass die Materialdicke im Bereich des Übergangs vom Grundkörper zu dem Spannelement reduziert ist.
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Die Spannelemente sind hierbei insbesondere ringförmig und bevzorzugt unterhalb des Grundkörpers angeordnet.
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Die Gelenke sind dabei insbesondere so ausgebildet, dass die Spannelemente zumindest in radialer Richtung (in Bezug auf die Längsachse des zu haltenden Finishwerkzeuges) auslenkbar, insbesondere über das Gelenk schwenkbar sind.
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In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zwischen den Spannelementen in Umfangsrichtung jeweils ein Spalt ausgebildet ist, so dass die Spannelemente gleichzeitig in radialer Richtung auslenkbar sind.
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Die Spannvorrichtung mit dem Grundkörper und den Spannelementen kann insbesondere einen (axialen) Anschlag ausbilden, an dem das Finishwerkzeug beim Platzieren zur Anlage kommt. Im Folgenden kann dann die Spannvorrichtung von dem Ausgangszustand in den Spannzustand überführt werden.
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Damit die Spannelemente mechanisch, beispielsweise mittels eines Schraubelements, von dem Ausgangszustand in den Spannzustand überführbar sind, ist insbesondere vorgesehen, dass die Spannelemente an ihrem dem Werkzeug zugewandten Ende innen, also auf der Innenseite, oder außen, also auf der Außenseite, kegelförmig ausgebildet sind. Oberhalb oder unterhalb des kegelförmigen Abschnitts kann ein Innengewinde oder Außengewinde ausgebildet sein. Das Gewinde kann aber auch in dem kegelförmig ausgebildeten Abschnitt ausgebildet sein (Kegelgewinde).
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In einer Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass auf der kegelförmig ausgebildeten Innenseite ein Kegelgewinde geformt ist, in das ein ebenfalls kegelförmiges Schraubelement eingeschraubt werden kann. Durch Einschrauben des Schraubelements werden also die Spannelemente radial nach außen ausgelenkt (gespreizt).
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In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein mutterförmiges Schraubelement mit einem Innengewinde auf ein insbesondere oberhalb der Spannelemente am Grundkörper ausgebildetes Außengewinde aufgeschraubt wird, wobei das Schraubelement bevorzugt einen Abschnitt aufweist, der einen geringeren Innendurchmesser aufweist als der Innendurchmesser des Gewindes. Dieser Abschnitt wird beim Aufschrauben des mutterförmigen Schraubelements außen entlang der Spannelemente entlang der Aufschraubrichtung bewegt. Dabei kann entweder das Schraubelement im Bereich des gegenüber dem Innengewinde verjüngten Abschnitts auf seiner den Spannelementen zugewandten (Innen-)Seite eine kegelförmige Gestalt und/oder die Spannelemente auf ihrer Außenseite eine kegelförmige Gestalt aufweisen. Somit werden die Spannelemente durch Aufschrauben des Schraubelements radial nach innen ausgelenkt.
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Es wird auch vorgeschlagen, dass die vorstehend beschriebene Spannvorrichtung zum Halten eines vorstehend beschriebenen Finishwerkzeuges verwendet wird, wobei insbesondere das Finishwerkzeug aus in einem Bindemittel gebundenen Körnern gebildet ist und das Finishwerkzeug einen hohlzylindrischen Abschnitt aufweist, an dessen Stirnseite eine Bearbeitungsfläche des Finishwerkzeuges ausgebildet ist, und die Spannvorrichtung von einem Ausgangszustand in einen Spannzustand überführbar ist, wobei das Finishwerkzeug in dem Ausgangszustand an der Spannvorrichtung platzierbar ist und das Finishwerkzeug in dem Spannzustand unmittelbar durch eine radial auf das Finishwerkzeug wirkende Spannkraft von der Spannvorrichtung gehalten wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine sphärische Oberfläche eines Werkstückes finishbearbeitet wird, wobei der Werkstückhalter und/oder das Werkstück zu einer Werkstückrotationsbewegung angetrieben werden, so dass sich die Rotationsachse des Werkzeuges und die Werkstückrotationsachse im Radiusmittelpunkt des Werkstückes schneiden. Die Werkzeugrotationsachse steht somit immer senkrecht auf der sphärischen Oberfläche des Werkstückes.
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Der beschriebene Werkzeughalter kann beispielsweise unmittelbar Teil einer Werkzeugspindel sein, selbst einen wechselbaren Werkzeughalter ausbilden oder als Aufsatz für einen wechselbaren Werkzeughalter gebildet sein.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen schematisch
- 1: eine Vorrichtung zur mechanischen Finishbearbeitung eines Werkstückes mit einem Finishwerkzeug,
- 2: ein Ausführungsbeispiel für eine Spannvorrichtung für das Finishwerkzeug in einem Längsschnitt,
- 3: eine Querschnittsdarstellung durch die in 2 dargestellte Spannvorrichtung,
- 4: ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Spannvorrichtung für das Finishwerkzeug in einem Längsschnitt und
- 5: eine Querschnittsansicht durch die Spannvorrichtung gemäß 4.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Finishbearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes 1. Das Werkstück 1 ist kugelförmig und wird mittels eines Werkstückhalters 2 gehalten, welcher wiederum mittels eines Werkstückantriebs 3 zu einer Rotationsbewegung um die Werkstückrotationsachse 14 antreibbar ist.
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Die Vorrichtung umfasst ferner ein Finishwerkzeug 4 mit einem hohlzylindrischen Abschnitt 5, an dessen Stirnseite eine Bearbeitungsfläche 6 ausgebildet ist. Das Finishwerkzeug 4 ist von einer Spannvorrichtung 7 gehalten, die wiederum von einem Werkzeugantrieb 8 zu einer Rotationsbewegung um eine Rotationsachse 9 antreibbar ist.
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Der Werkstückantrieb 3 und der Werkzeugantrieb 8 sind mit einer Steuereinheit 15 verbunden.
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Zur Finishbearbeitung wird die Bearbeitungsfläche 6 des Finishwerkzeuges 4 in Anlage mit der Oberfläche des Werkstückes 1 gebracht. Während der Finishbearbeitung wird sowohl das Finishwerkzeug 4 als auch das Werkstück 1 rotatorisch angetrieben, wobei der Winkel zwischen der Rotationsachse 9 und der Werkstückrotationsachse 14 während der Finishbearbeitung so verändert wird, dass die Rotationsachse 9 jederzeit senkrecht auf der kugelförmigen Oberfläche des Werkstückes 1 steht.
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In den 2 und 3 ist eine erste Ausführungsform einer Spannvorrichtung 7 zur Halterung des Finishwerkzeuges 4 dargestellt. Das Finishwerkzeug 4 ist vollständig hohlzylindrisch ausgebildet und weist an seinem dem Werkstück 1 zugewandten Ende eine Bearbeitungsfläche 6 auf. Mit dem Bezugszeichen 1' ist die Stellung des Werkstückes angedeutet, wenn das Finishwerkzeug 4 stark abgenutzt ist.
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Die Spannvorrichtung 7 umfasst einen Grundkörper 11, an dessen unterem Ende mehrere in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Spannelemente 10 einteilig ausgebildet sind. In Umfangsrichtung ist zwischen zwei benachbarten Spannelementen 10 jeweils ein Spalt 16 ausgebildet. Zwischen dem Grundkörper 11 und den Spannelementen 10 ist jeweils eine Schwächung 17 ausgebildet, so dass ein Feststoffgelenk zwischen dem Spannelement 10 und dem Grundkörper 11 geformt ist. Auf ihrer Außenseite weisen die Spannelemente 10 einen Konus 20 auf.
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Die Spannvorrichtung 7 umfasst zudem ein Schraubelement 12, welches auf ein an dem Grundkörper 11 ausgebildetes Gewinde 19 aufschraubbar ist. Das Schraubelement 12 weist auf seiner Innenseite an dem dem Finishwerkzeug 4 zugewandten Ende ebenfalls eine konische (kegelförmige) Gestalt 20 auf. Das Schraubelement 12 weist auf seiner Außenumfangsfläche zudem eine Betätigungskontur 18 auf, an die beispielsweise ein Werkzeug zum Anziehen des Schraubelements 12 ansetzbar ist.
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In einem Ausgangszustand, in dem das Schraubelement 12 noch nicht auf den Grundkörper 11 aufgeschraubt ist, ist ein durch den Innenumfang der Spannelemente 10 gebildeter Durchmesser nur unwesentlich größer als ein Außendurchmesser des Finishwerkzeuges 4. In diesem Ausgangszustand kann das Finishwerkzeug 4 an der Spannvorrichtung 7 platziert werden. Beim anschließenden Aufschrauben des Schraubelements 12 auf den Grundkörper 11 werden aufgrund des durch die Konusse 20 erzeugten Keileffekts die Spannelemente 10 radial nach innen ausgelenkt, wodurch eine in radialer Richtung auf das Finishwerkzeug 4 wirkende Haltekraft ausgeübt wird. In diesem Spannzustand wird das Finishwerkzeug 4 durch in radialer Richtung auf das Finishwerkzeug 4 wirkende Kräfte gehalten.
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In den 4 und 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Spannvorrichtung 7 dargestellt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind an einem Grundkörper 11 mehrere in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Spannelemente 10 ausgebildet, zwischen denen jeweils ein Spalt 16 ausgebildet ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Spannelemente 10 durch eine Schwächung 17 mittels eines Feststoffgelenks einteilig an dem Grundkörper 11 ausgebildet.
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Ein durch die Spannelemente 10 gebildeter Außendurchmesser ist bei diesem Ausführungsbeispiel etwas geringer als ein Innendurchmesser des hohlzylindrischen Finishwerkzeuges 4, dessen Innendurchmesser eine Aufnahme 13 für die Spannelemente 10 bildet. Die Spannelemente 10 bilden auf ihrer Innenseite einen Konus 20 aus, an dem zudem ein Innengewinde 19 ausgebildet ist.
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Die Spannvorrichtung 7 umfasst zudem ein Schraubelement 12, das auf seinem Außenumfang konisch nach oben zusammenlaufend ausgebildet ist. Auf der Außenseite des Schraubelements 12 ist zudem ein Außengewinde ausgebildet. Das Schraubelement 12 kann somit in die Spannelemente 12 eingeschraubt werden.
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In einem Ausgangszustand, in dem das Schraubelement 12 noch nicht in die Spannelemente 10 eingeschraubt ist, ist der Außenumfang der Spannelemente 10 kleiner als der Innendurchmesser des Finishwerkzeuges 4, so dass das Finishwerkzeug 4 auf die Spannelemente 10 aufgesetzt werden kann. Anschließend kann das Schraubelement 12 in den durch die Spannelemente 10 gebildeten Konus eingeschraubt werden, so dass beim Einschrauben die Spannelemente 10 radial nach außen gespreizt werden, wodurch eine in radialer Richtung nach außen wirkende Kraft auf das Finishwerkzeug 4 wirkt.
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Mit den beschriebenen Spannvorrichtungen 7 ist ein schneller Finishwerkzeugwechsel möglich, wobei das Finishwerkzeug 4 im Spannzustand der Spannvorrichtung unmittelbar zentriert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkstück
- 2
- Werkstückhalter
- 3
- Werkstückantrieb
- 4
- Finishwerkzeug
- 5
- hohlzylindrischen Abschnitt
- 6
- Bearbeitungsfläche
- 7
- Spannvorrichtung
- 8
- Werkzeugantrieb
- 9
- Rotationsachse
- 10
- Spannelement
- 11
- Grundkörper
- 12
- Schraubelement
- 13
- Aufnahme
- 14
- Werkstückrotationsachse
- 15
- Steuereinheit
- 16
- Spalt
- 17
- Schwächung
- 18
- Betätigungskontur
- 19
- Gewinde
- 20
- Konus
- 21
- Durchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016014515 B4 [0006]
- DE 3723995 A1 [0006]
