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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von
parallelen Stirnflächen an
kleinteiligen Werkstücken
sowie einen Werkstückhalter
zur Durchführung
des Verfahrens.
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An
die Parallelität
der Stirnflächen
von kleinteiligen Werkstücken
werden häufig
hohe Anforderungen gestellt. So müssen in einigen Anwendungsfällen, z.
B. bei Ventilkörpern
für Miniaturventile
oder Teilen für
die Sensortechnik, die Stirnflächen
der bearbeiteten Werkstücke
mit einer Abweichung von weniger als 1 μm parallel zueinander ausgerichtet
sein. Diese Genauigkeitsanforderungen können nicht eingehalten werden,
wenn das Werkstück
bei der Bearbeitung umgespannt werden muss. Abweichungen in Bezug
auf die Außenkontur
sowie die Wiederholgenauigkeit der Spannmittel setzt der insgesamt
erreichbaren Genauigkeit Grenzen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
anzugeben, die eine präzise
Bearbeitung von parallel zueinander ausgerichteten Stirnflächen an
kleinteiligen Werkstücken
ermöglichen.
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Gegenstand
der Erfindung und Lösung
dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von
parallelen Stirnflächen
an kleinteiligen Werkstücken
nach Anspruch 1. Erfindungsgemäß wird ein
zu bearbeitendes Werkstück
mit zwei überstehenden
Stirnflächen
in einen scheibenförmigen Träger eingespannt,
der an seiner Oberseite und Unterseite planparallele, das Werkstück mit einem
Abstand umgebende erste und zweite Auflageflächen aufweist. Der Träger wird
an seiner ersten Auflagefläche
an einer rotierend antreibbaren Gegenfläche einer Werkzeugmaschine
gespannt und in diese Aufspannung an seiner ersten Stirnfläche bearbeitet.
Zur Bearbeitung der zweiten Stirnfläche des Werkstückes wird
der Träger
gewendet und mit der zweiten Auflagefläche erneut an der Gegenfläche der
Werkzeugmaschine gespannt. Die Gegenfläche mit dem daran befestigten
Träger
wird während
der Bearbeitung beider Stirnflächen
des Werkstückes
rotierend angetrieben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird das Werkstück
in einer Aufspannung an beiden Stirnflächen bearbeitet. Dabei ist
das Werkstück
während der
Bearbeitung lagebestimmt gespannt. Der Träger mit eingespanntem Werkstück ist transportabel,
ohne dass sich dies auf die Bearbeitungsgenauigkeit des Werkstückes ungünstig auswirkt.
Das Spannen des Werkstückes
kann manuell, automatisch, innerhalb oder außerhalb einer Bearbeitungseinrichtung
erfolgen. Für
das erfindungsgemäße Verfahren
ist dabei stets wesentlich, dass die Auflageflächen des Trägers das Werkstück mit einem
großen
Abstand umgeben. Die Auflageflächen
sind als Ringflächen
ausgebildet oder auf einem Kreisbogen angeordnet, dessen Durchmesser
ein Vielfaches des Werkstückdurchmessers
beträgt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich eine Ungenauigkeit beim
Spannvorgang des Trägers
umso geringer hinsichtlich der Parallelität der zu bearbeitenden Werkstückflächen auswirkt,
je größer das
Durchmesserverhältnis
des von der Auflagefläche
definierten Umfangskreises zum Werkstück durchmesser ist. Somit können nach
der erfindungsgemäßen Lehre
auf einer Werkzeugmaschine, die eine oder mehrere Bearbeitungsstationen
sowie eine Wendestation aufweist, kleinteilige Werkstücke bearbeitet
werden, die sehr hohen Anforderungen hinsichtlich der Parallelität ihrer
Stirnflächen
genügen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es ohne weiteres möglich,
Werkstücke
so zu bearbeiten, dass ihre Stirnflächen mit einer Abweichung von
weniger als 0,5 μm
parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Standardmäßig werden
Träger
verwendet, deren Aufnahmeöffnung
senkrecht zu den Auflageflächen
ausgerichtet ist. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, dass
die Aufnahmeöffnung
schräg zu
den Auflageflächen
ausgerichtet wird. Die Stirnflächen
des Werkstückes
stehen dann zwar nicht im rechten Winkel zur Mantelfläche des
Werkstückes, jedoch
sind die beiden erzeugten Stirnflächen nach wie vor parallel
zueinander.
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Die
Stirnflächenbearbeitung
kann verschiedene mechanische Bearbeitungen umfassen. Insbesondere
ist das erfindungsgemäße Verfahren
geeignet zum Honen der Werkstückstirnflächen unter
Verwendung von oszillierenden Werkzeugen sowie zur Feinschleif-
oder Finishbearbeitung unter Verwendung von rotierend angetriebenen
Schleifscheiben, die eine ebene, konkav oder konvex gewölbte Schleiffläche aufweisen
können.
Der Träger
mit eingespanntem Werkstück
wird während
der Werkstückbearbeitung
rotierend angetrieben, wobei die Rotationsachse regelmäßig mit
der Werkstücklängsachse
zusammenfällt.
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In
weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, dass die Auflageflächen an
der Oberseite und Unterseite des Trägers radial versetzt zueinander
angeordnet werden, so dass die Rotationsachse des Trägers bei
der Bearbeitung der ersten Stirnfläche des Werkstückes und
die Rotationsachse des Trägers
bei der Bearbeitung der zweiten Stirnfläche des Werkstückes nicht
fluchten. Wenn die Stirnflächen
des Werkstückes
mit einer Schleifscheibe bearbeitet werden, deren Schleiffläche eine
von einer ebenen Fläche
abweichende Kontur besitzt, können
ballige oder gewölbte
Werkstückstirnflächen erzeugt
werden, wobei der Scheitelpunkt der balligen bzw. gewölbten Oberfläche anwendungsspezifisch
festgelegt werden kann. Sofern die Rotationsachse des Trägers mit
der Werkstücklängsachse
zusammenfällt,
kann eine ballige Stirnfläche
des Werkstückes
erzeugt werden, deren Scheitelpunkt mittig zur Stirnfläche liegt.
Wenn die Rotationsachse zur Werkstückachse versetzt angeordnet
wird, entsteht eine ballige oder gewölbte Oberfläche mit einem außermittigen
Scheitelpunkt. Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise genutzt,
um Werkstückstirnflächen zu
erzeugen, die eine schwache Wölbung
mit einer Scheitelhöhe
von einigen wenigen Mikrometern aufweisen. Derartige schwachgewölbte Stirnflächen werden
beispielsweise für
Dichtsitze an Miniaturventilen gewünscht.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch ein Werkstückhalter für kleinteilige Werkstücke, die
an gegenüberliegenden
parallelen Stirnflächen
mechanisch bearbeitet werden müssen,
mit
einem scheibenförmigen
Träger,
der mindestens eine Aufnahmeöffnung
zur Aufnahme eines Werkstückes aufweist,
und
einer an dem Träger
angeordneten Spannvorrichtung zur Fixierung des Werkstückes in
der Aufnahmeöffnung,
wobei
die zu bearbeitenden Stirnflächen
des in den Träger
eingesetzten Werkstückes
zugänglich
sind und durch Wenden des Trägers
nacheinander bearbeitet werden können,
wobei der Träger
im äußeren Bereich
seiner Ober- und Unterseite zueinander planparallele Auflageflächen aufweist,
die zur beidseitigen Werkstückbearbeitung
wechselseitig nacheinander an einer Gegenfläche einer Werkzeugmaschine
spannbar sind und den Träger
hierbei gegenüber
der Werkzeugmaschine ausrichten, und wobei der Scheibendurchmesser
des Trägers
groß gegenüber der
Weite der Aufnahmeöffnung
ist.
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Die
Auflageflächen
sind vorzugsweise am äußeren Rand
von Ober- und Unterseite des Trägers angeordnet.
Sie können
als Ringflächen
ausgebildet sein oder aus vorzugsweise drei entlang des Trägerrandes
angeordneten Flächenabschnitten
bestehen. Die Abmessung der Ober- und Unterseite des Trägers ist
stets ein Vielfaches des Werkstückdurchmessers.
Zur Stirnflächenbearbeitung
von kleinteiligen Werkstücken
sollte das Verhältnis
zumindest größer als
5, vorzugsweise größer als
10, sein.
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Weitere
Ausgestaltungen des Werkstückhalters
sind Gegenstand der nachgeordneten Patentansprüche 6 bis 8.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung erläutert.
Es zeigen schematisch
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1 ein
Verfahren zur Finishbearbeitung von parallelen Stirnflächen an
kleinteiligen Werkstücken,
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2 eine
weitere Ausgestaltung des in 1 dargestellten
Verfahrens,
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3 ein
Werkstückhalter
zur Durchführung des
Verfahrens,
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4 eine
weitere Ausführungsform
des Werkstückhalters
in einer Draufsicht und
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5 den
Schnitt A-A in 4.
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Das
in den 1 und 2 dargestellte Verfahren dient
zur Bearbeitung von kleinteiligen Werkstücken, die an gegenüberliegenden
parallelen Stirnflächen
durch Feinstschleifen mechanisch bearbeitet werden müssen, wobei
hohe Anforderungen an die Planparallelität der Stirnflächen gestellt
werden.
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Ein
zu bearbeitendes Werkstück 1 wird
mit zwei überstehenden
Stirnflächen 2, 2' in einen scheibenförmigen Träger 3 eingespannt,
der an seiner Oberseite und Unterseite planparallele erste und zweite
Auflageflächen 4, 4' aufweist. Die
Auflageflächen 4, 4' umgeben das
zu bearbeitende Werkstück 1 mit
einem großen
Abstand. Sie sind als Ringflächen ausgebildet
oder bestehen aus Flächenabschnitten, die
auf einem Kreisbogen angeordnet sind. Der Durchmesser der Ringfläche bzw.
der Durchmesser D des Kreisbogens beträgt ein Vielfaches des Werkstückdurchmessers
d.
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Der
Träger 3 wird
an seiner ersten Auflagefläche 4 an
einer rotierend angetriebenen Gegenfläche 5 einer Werkzeugmaschine
gespannt, und in dieser Aufspannung wird die erste Stirnfläche 2 des Werkstückes 1 bearbeitet.
Im Ausführungsbeispiel steht
das Bearbeitungswerkzeug 6 aus einer rotierend angetriebenen
Schleifscheibe. Auch andere Bearbeitungswerkzeuge, z. B. oszillierend
schwingende Honsteine und dergleichen, sollen nicht ausgeschlossen
sein. Während
der Bearbeitung wird die Gegenfläche 5 mit
aufgespanntem Träger 3 rotierend angetrieben.
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Zur
Bearbeitung der anderen Stirnfläche 2' des Werkstückes 1 wird
der Träger 3 gewendet
und mit der zweiten Auflagefläche 4' erneut an der
Gegenfläche 5 der
Werkzeugmaschine gespannt. Während
der Bearbeitung der Stirnflächen 2, 2' bleibt das Werkstück 1 lagebestimmt
in dem Träger 3 gespannt. Der
scheibenförmige
Träger 3 mit
gespanntem Werkstück
ist transportabel und beispielsweise in einer Wendestation der Werkzeugmaschine
handhabbar.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1 fluchtet die Rotationsachse 7 des die
Gegenfläche 5 bildenden
Maschinenteils mit der Längsachse 8 des
in eine Aufnahmeöffnung 9 des
Trägers 3 eingesetzten Werkstückes 1.
Die Schleifscheibe 6 ist mit einer ebenen Schleiffläche ausgebildet
und erzeugt an den Stirnflächen
des Werkstückes 1 planparallele
ebene Flächen.
Sofern die Schleifscheibe mit einer leicht konkav gewölbten Schleiffläche ausgebildet
ist, können
ballige Oberflächen
an den Stirnflächen 2, 2' des Werkstückes 1 erzeugt
werden, wobei der Scheitelpunkt der balligen Oberfläche in der
Stirnflächenmitte des
Werkstückes
liegt.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 2 sind die Auflageflächen 4, 4' an der Oberseite
und Unterseite des Trägers 3 mit
einem radialen Versatz s zueinander angeordnet, so dass die Rotationsachse 7 des Trägers 3 bei
der Bearbeitung der ersten Stirnfläche 2 des Werkstückes und
die Rotationsachse 7 des Trägers 3 bei der Bearbeitung
der zweiten Stirnfläche 2' des Werkstückes 1 zueinander
versetzt sind. Sofern die Schleifscheibe 6 mit einer leicht
gewölbten Schleiffläche ausgebildet
ist, können
ballige Oberflächen
an der Werkstückstirnfläche 2, 2' erzeugt werden,
deren Scheitelpunkt anwendungsspezifisch an der Werkstückstirnseite
mittig oder außermittig
festgelegt werden kann.
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Die 3 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung einen Werkstückhalter 10 zur
Durchführung
des beschriebenen Verfahrens. Dieser umfasst den bereits beschriebenen
scheibenförmigen
Träger 3 sowie
eine an dem Träger 3 angeordnete
Spannvorrichtung 11 zur Fixierung des Werkstückes 1 in der
Aufnahmeöffnung 9.
Im Ausführungsbeispiel weist
der scheibenförmige
Träger 3 einen
Schlitz 12 auf, der sich vom äußeren Rand des Trägers bis
zur Aufnahmeöffnung
erstreckt. Die Spannvorrichtung 11 ist als Spindeleinrichtung
dargestellt, kann aber auch mit einer Spannfeder und/oder einer
pneumatischen Vorrichtung ausgebildet werden. Auch zur Klemmung des
Werkstückes
bestehen unterschiedliche, hier im Einzelnen nicht dargestellte
konstruktive Möglichkeiten.
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Die 4 und 5 zeigen
eine alternative Ausführungsform
des Werkstückhalters 10.
Aus der 5 ist ersichtlich, dass die
randseitige Gegenfläche 5 des
Trägers 3 Zapfen 13 aufweist,
die in engpassige Bohrungen 14 des Trägers 3 eingreifen. Während des
Spannvorganges liegt das Werkstück 1 auf
einer Werkstückauflage 15 auf,
um eine exakte Fixierung des Werkstückes 1 im Werkstückhalter 10 zu
gewährleisten.
Der 4 ist zu entnehmen, dass die Spannvorrichtung 11 des
Werkstückhalters 10 durch
eine entsprechende Bearbeitung des Werkstückhalters 10 hergestellt
wurde, wobei die Spannvorrichtung 11 vorzugsweise durch
eine radial zum Werkstück 1 wirkende
Kraft gegen das Werkstück 1 zugestellt
wird. Die Kraft kann beispielsweise durch eine Feder, pneumatisch
oder durch das Festziehen einer Schraube erzeugt werden. Alternativ
hierzu ist es auch möglich,
mittels einer senkrecht zur Trägerebene
beweglichen, nicht dargestellten Keilverriegelung, die in eine Aussparung 16 des
Trägers 3 eingreift,
das Werkstück 1 festzuspannen.
Der 4 ist ferner zu entnehmen, dass das Festklemmen
des Werkstückes 1 nicht
vollflächig
am Umfang, sondern an drei gleichmäßig verteilten Klemmstellen 17 erfolgt.
Nach Beendigung des Spannvorganges kann die Werkstückauflage 15 entfernt
werden, bevor mit der Bearbeitung des Werkstückes 1 begonnen wird.