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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Glätten und Verdichten
der außenzylindrischen Oberfläche von Werkstücken mit mehreren an die Oberfläche
andrückbaren Walzrollen, von denen wenigstens eine antreibbar ist.
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Bekannt ist das Glattwalzen von Oberflächen zylindrischer oder ähnlicher
Werkstücke zur Verbesserung der Oberflächengüte durch Verringerung der Rauhtiefe,
zur Verbesserung der Gleiteigenschaften und zur Erzeugung einer guten Ausgangsfläche
für eine galvanische Veredelung der Oberflächen, z. B. zum Hart- und Maßverchromen.
Bei diesen Verfahren sollen die Werkstücke möglichst maßhaltig nach der Bearbeitung
sein. Es werden deshalb gut vorgearbeitete Flächen glattgewalzt, die mit einer möglichst
geringen plastischen Verformung bei kleinen Walzdrücken bearbeitet werden, wenn
es darauf ankommt, innerhalb enger Grenzen maßhaltige Werkstücke zu erzeugen.
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Wird der Walzdruck und damit die plastische Verformung gesteigert,
so verfestigt sich die Oberfläche. Diese Verfestigung läßt sich als Härtesteigerung
nachweisen und kann bis zu 70 % betragen, ist aber bei den einzelnen Werkstoffen
sehr unterschiedlich. Immer aber beeinflußt die Kaltverformung die Genauigkeit der
Oberfläche, so daß mit steigender Kaltverfestigung auch die Fertigungstoleranzen
sich vergrößern.
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Die Genauigkeit der Oberfläche und auch die Steigerung der Härte ist
daher in starkem Maße von der plastischen Verformung, also vorn Walzdruck, abhängig,
wobei das eine das andere nicht ganz ausschließt, weil viele Einflußgrößen zu berücksichtigen
sind.
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Wird beispielsweise ein zylindrisches Werkstück glattgewalzt, so verschieben
sich unter der Wirkung der Glattwalzrolle die obersten Schichten des Werkstückes
entgegen der Drehrichtung des Werkstückes. Dabei werden, wie auf Schliffbildern
erkennbar ist, die Kristalle der obersten Schicht flachgedrückt und langgezogen.
Die Größe dieser plastischen Verformung hängt ab von der spezifischen Glattwalzkraft
in kg/cm-' und vom Werkstückstoff. Je nach Zweck des Feinwalzens soll die Oberfläche
des Werkstückes in verschiedenem Maße plastisch verformt werden, sei es, daß die
Dauerfestigkeit erhöht werden soll, sei es, daß die Verschleißfestigkeit der Oberfläche
vergrößert werden soll, sei es, daß die Oberfläche mikro-und makrogeometrisch besonders
genau und maßhaltig sein soll, sei es, daß das Feinwalzverfahren auf Rohre angewendet
wird, bei denen nur geringe Glattwalzkräfte anwendbar sind, weil sonst mit Verformungen
des Rohres zu rechnen ist.
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Bei den bekannten Vorrichtungen der eingangs angegebenen Art haben
die am Werkstück umlaufenden Walzrollen zwangläufig die gleiche Umfangsgeschwindigkeit
wie das umlaufende Werkstück. Bei Anwendung der bekannten Vorrichtungen auf einer
Maschine mit direkt angetriebenem Werkstück, z. B. auf einer Drehbank, liegen die
Walzrolle oder die Walzrollen ohne eigenen Antrieb am Werkstück an und werden von
ihm mitgenommen. Bei spitzenlos arbeitenden Maschinen wird eine einzige Walzrolle
angetrieben, die schräggestellt ist und gleichzeitig den Vorschub bewirkt.
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Es hat sich nun gezeigt, daß bei den bekannten Vorrichtungen beim
Überschreiten eines bestimmten Anpreßdrucks der Walzrollen, also beim überschreiten
einer bestimmten Walzkraft, die Bruchdehnung des Werkstückmaterials bei der plastischen
Verformung der Werkstück-Oberflächenschichten überschritten werden kann, so daß
ein Abblättern der Oberflächenschichten möglich ist. Die bekannten Vorrichtungen
sind daher in der Größe der ausgeübten Walzkraft stark eingeschränkt. Bei Werkstücken,
die auf große Walzkräfte empfindlich reagieren, z. B. bei langen dünnen Spindeln,
dünnwandigen Rohren oder dergleichen, ergab sich eine noch stärkere Einschränkung
der möglichen Walzkräfte, da diese Werkstücke den Walzkräften nicht immer gewachsen
sind. Es ist bekannt, durch Verwendung möglichst kleiner Glattwalzrollen die spezifische
Walzkraft zu erhöhen, um einen möglichst kleinen Walzdruck auf ein empfindliches
Werkstück wirken zu lassen. Es werden deshalb ungelagerte Glattwalzrollen verwendet,
die auf den Umfangsflächen größerer Stützrollen aufliegen. Dieser Möglichkeit ist
aber konstruktiv eine Grenze gesetzt, so daß sie nicht immer anwendbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der geschilderten
Nachteile der bekannten Verfahrensweisen eine Vorrichtung zu schaffen, durch die
einerseits bei vollen Werkstücken die Walzkräfte erhöht und die plastische Verformung
dem Material des Werkstücks angepaßt werden kann und andererseits bei den empfindlichen
Werkstücken auch bei geringeren Walzkräften ein gutes Bearbeitungsergebnis erzielt
werden kann. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Walzrolle oder
Walzrollen und das Werkstück mit verschiedenen Umfangsgeschwindigkeiten antreibbar
sind. Dadurch werden die im folgenden beschriebenen vorteilhaften Wirkungen erzielt:
Führt eine Walzrolle außer der reinen Abwälzung auch eine durch Zwang erzielte Gleitung
aus, wie es bei den unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten der Vorrichtung gemäß
der Erfindung erreicht wird; so wirken sich auf die von der Walzrolle beeinflußten
Oberflächenschichten des Werkstücks beide Einflüsse aus. Durch reine Abwälzung wird
die Oberflächenschicht des Werkstücks entgegen seiner Drehrichtung plastisch verschoben.
Durch Gleitung wird ebenfalls die Oberflächenschicht des Werkstücks in Gleitrichtung
des Werkstücks plastisch verschoben. Wirken gemäß der Erfindung beide Faktoren gleichzeitig,
so wird die durch Abwälzung, die nur in einer Richtung wirken kann, entstehende
Oberflächen-Schichtverschiebung durch die durch Zwang erzielte Gleitung je nach
der gewünschten Richtung entweder vermindert und sogar aufgehoben oder verstärkt.
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Dient die Vorrichtung dazu, die Härte der Oberflächenschichten des
Werkstücks so groß wie möglich zu machen und eine möglichst große Tiefe der verfestigten
Schicht zu erreichen, so wird gemäß der Erfindung die Vorrichtung so angewandt,
daß die Umfangssgeschwindigkeit der Feinwalzrolle größer gewählt wird als die Umfangsgeschwindigkeit
des Werkstücks, die durch den jeweiligen Werkstückantrieb erreicht wird. Infolge
der Gegenwirkung der erzielten Gleitung wird trotz erhöhter plastischer Verformung
keine bzw. nur eine geringe Verschiebung der Oberflächenschichten erzeugt, so daß
die Bruchdehnung der plastisch verformten Schichten nicht überschritten wird und
ein Abblättern der Oberflächenschichten verhindert wird. Es können daher die Werkstücke
ohne Gefahr des Abblätterns mit größeren Walzkräften als bisher bearbeitet werden.
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Ist Ziel der Bearbeitung, eine gewünschte Oberfläche
auf
einem auf große Walzkräfte empfindlich reagierenden Werkstück zu erreichen, z. B.
bei langen dünnen Spindeln, dünnwandigen Rohren od. dgl., so wird zweckmäßig die
Vorrichtung gemäß der Erfindung in der Weise angewandt, daß die Umfangsgeschwindigkeit
der Feinwalzrolle oder -rollen kleiner gewählt wird als die Umfangssgeschwindigkeit
des Werkstücks, die durch den Werkstückantrieb erreicht wird. Bei der dadurch erzielten
Wirkung der Gleitung wird trotz geringer Walzkraft die Oberfläche des Werkstücks
plastisch stark verformt, ohne daß eine Beschädigung des Werkstücks durch zu hohe
Walzkräfte auftritt.
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Soll das Werkstück eine maßhaltige, makro- und mikrogeometrisch möglichst
genaue Oberfläche erhalten, so wird man bestrebt sein, die durch Abwälzung entstandene
Oberflächenverschiebung in einer Richtung durch eine gleich große Oberflächenverschiebung
in der anderen Richtung gerade aufzuheben.
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Die Erfindung löst also die Aufgabe, den Glattwalzefffekt zu steuern
und die plastische Verformung der Oberfläche in einem gezielten Sinne zu beeinflussen,
entweder um unter Verzicht auf höchste Genauigkeit und Maßhaltigkeit der Oberfläche
eine hohe plastische Verformung durchzuführen mit dem Zweck, die Oberflächenhärte
und Härtetiefe zur Verbesserung der Verschleiß- und Dauerfestigkeit zu erhöhen,
oder um unter Verzicht auf eine nennenswerte Steigerung der Härte bei geringerer
plastischer Verformung eine makro- und mikrogeometrisch möglichst genaue und möglichst
maßhaltige Oberfläche zu erzielen.
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Zusammengefaßt besteht der Vorteil der Erfindung darin, daß bei den
verschiedensten Werkstückformen bei gewünschtem guten Walzeffekt der Bereich der
anwendbaren Walzkräfte wesentlich erweitert wird und auch bei empfindlichen Werkstücken
die geforderten Walzeffekte ermöglicht werden.
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Die geschilderte vorteilhafte Wirkung wird durch eine sehr einfache
Vorrichtung realisiert. In einfacher Weise kann die Umlaufgeschwindigkeit der angetriebenen
Walzrolle oder Walzrollen veränderbar sein. Damit ist es möglich, die Walzwirkung
beliebig zu steigern oder zu verringern oder dem jeweiligen Werkstück anzupassen.
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Es ist an sich das sogenannte Polier- oder Preßwalzen bekannt, bei
dem Kugeln oder Dorne mit konvexen Oberflächenteilen durch eine Bohrung hindurch
gedrückt werden, um diese zu kalibrieren. Es sind auch Stufendorne bekannt, die
nach Art der Räumnadeln ausgebildet sind und eine Bohrung in einzelnen Stufen glätten
und innerhalb enger Grenzen erweitern können. Dieses Verfahren kann trotz der Bewegung
des Dornes bzw. der Kugeln als ein statisches Verfahren der Verformung betrachtet
werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind die Walzrollen mit verschiedenen
Umfangsgeschwindigkeiten antreibbar. Diese Vorrichtung eignet sich insbesondere
für das spitzenlose Feinwalzen. Durch die verschiedenen Umfangsgeschwindigkeiten
werden die geschilderten Wirkungen auf die Oberflächen erzielt.
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Es sind Gewindewalzmaschinen bekannt, die mit zwei oder mehr um das
Werkstück angeordneten angetriebenen Walzrollen arbeiten, weil sie das Werkstück
nicht nur bearbeiten sondern auch zentrieren, führen und antreiben müssen, wobei
der Vorschub sich durch das Gewinde von selbst ergibt. Es handelt sich um Maschinen,
die nur einen engen Arbeitsbereich haben, und zwar sowohl hinsichtlich der Gewinde
als auch hinsichtlich der Walzdurchmesser. Es ist auch bereits bekannt, glattzuwalzende
Teile ihrer Verschiedenartigkeit wegen im allgemeinen in eine Bearbeitungsmaschine
einzuspannen und anzutreiben. Diese bekannten Vorrichtungen erfordern jedoch frei
umlaufende Walzrollen, da sich mit jedem Werkstückdurchmesser auch die Antriebsgeschwindigkeit
der Walzrollen ändern müßte. Bei den bekannten Vorrichtungen zum spitzenlosen Glattwalzen
wird das Werkstück ebenfalls durch die am Umfang anliegenden Glattwalzrollen zentriert,
geführt, bearbeitet und angetrieben. Wesentlich ist aber, daß bei diesen bekannten
Vorrichtungen stets nur eine einzige Walzrolle angetrieben wird, die ihrerseits
das Werkstück antreibt und den Vorschub bewirkt.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung in Gestalt
zweier Vorrichtungen schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Bearbeitungsmaschine
in Form einer Drehbank mit der Vorrichtung nach der Erfindung in einer Ausführungsform
in Seitenansicht; F i g. 2 die Maschine nach F i g. 1 in der Schnittansicht gemäß
der Linie A -B in F i g. 1; F i g. 3 eine der F i g. 2 entsprechende Ansicht
einer Maschine gemäß F i g. 1 mit beidseitiger Walzrolle; F i g. 4 eine spitzenlos
mit drei Walzrollen arbeitende Walzvorrichtung in der Seitenansicht; F i g. 5 die
Walzvorrichtung nach F i g. 4 in der Draufsicht.
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Das Werkstück 1 wird mit Hilfe der Walzrolle 2 bearbeitet. Die Walzrolle
2 weist einen gesonderten eigenen Antrieb auf. Dieser Antrieb besteht aus dem Motor
6, der über sein Kettenrad 4 und die Antriebskette 5 das Kettenrad 3 für die Walzrolle
2 in Bewegung setzt.
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7 bezeichnet den Querschlitten für die Walzrolle
2
der mit Hilfe der Gewindespindel 8 verstellbar ist. Der Längsschlitten 9
für die Walzrolle bzw. die Walzvorrichtung ist auf der Spindel 11 für den Längsvorschub
am Maschinenbett 10 verstellbar. Das Vorschubgetriebe 12 mit dem Vorschubmotor
13 ist für den Längsvorschub bestimmt. Das Werkstück 1 ist auf der Planscheibe
14, die über die Hauptspindel 15,
deren Riemenscheibe 16 vom
Hauptantriebsmotor 17
in Drehung versetzt wird, aufgespannt. Das andere Ende
des Werkstücks wird von der Pinole 18 mit Körnerspitze im Reitstock 19 gehalten.
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Wie sich leicht erkennen läßt, kann die Walzrolle 2 mit Hilfe ihres
gesonderten Antriebs 3, 4, 5, 6 mit einer anderen Umfangsgeschwindigkeit
als das Werkstück 1 angetrieben werden, woraus sich die eingangs geschilderten Wirkungen
je nach der Richtung und nach der Größe des Geschwindigkeitsunterschiedes ergeben.
Die Umfangsgeschwindigkeit der Walzrolle 2 ist auf einfache Weise z. B. durch Drehzahländerung
des Motors 6 veränderbar.
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Gemäß F i g. 3 ist es auf einfache Weise möglich, die vorstehend beschriebene
Walzvorrichtung auf beiden Seiten der Maschine anzuordnen. In F i g. 3 sind die
Teile 2 bis 7 der Walzvorrichtung für die zweite Seite mit 2' bis 7' bezeichnet.
Die gemeinsame Spindel 8' ist für beide Querschlitten vorgesehen.
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In F i g. 4 und 5 ist schematisch eine zweite Ausführungsform der
Walzvorrichtung mit spitzenlos gehaltenem und angetriebenem Werkstück 25 dargestellt.
Zur
Bearbeitung des Werkstücks 25 dient zunächst die Feinwalzrolle 26, die über die
Antriebskettenräder 27 und 28 vom Motor 30 über die Antriebskette 29 gesondert angetrieben
wird. Die Feinwalzrolle 26 mit ihrer Antriebseinrichtung ist auf dem Querschlitten
31 des Gehäuses 32 angeordnet. Zur Bearbeitung und zum Antrieb des Werkstücks 25
sind der Feinwalzrolle mit größerem Durchmesser 26
gegenüberliegend die Feinwalzrollen
33 und 34 angeordnet, die mit untereinander gleicher Umfangsgeschwindigkeit über
die Zahnräder 35, 36 und 37, das Kettenrad 38 und die Kette 39 vom Kettenrad 40
des Antriebsmotors 41 in Drehung versetzt werden. Die Feinwalzrollen 33 und 34 sind
mit ihren Antriebseinrichtungen auf dem zweiten Querschlitten 42 des Gehäuses 32
angeordnet. Die Spindel 43 mit Rechts- und Linksgewinde dient zur Verstellung der
Querschlitten 31 und 42.
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Je nach dem gewünschten Bearbeitungsergebnis und dem zu bearbeitenden
Werkstück 25 ist die Umfangsgeschwindigkeit der Feinwalzrolle 26 verschieden von
der Umfangsgeschwindigkeit der Feinwalzrollen 33 und 34 und damit von der Umfangsgeschwindigkeit
des Werkstücks 25 gewählt. Die jeweils gewünschten Geschwindigkeiten können z. B.
durch Drehzahländerungen an den Motoren 30 und 41 eingestellt werden.
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An der Vorrichtung gemäß F i g. 1 bis 3 bestehen die folgenden Beziehungen,
wobei die Umfangsgeschwindigkeit des Werkstücks 1 gleich Ui, die Umfangsgeschwindigkeit
der Walzrolle 2 gleich U2 und die Umfangsgeschwindigkeit der Walzrolle 2' gleich
Us ist: 1. U2 größer als Ui; 2. oder U2 kleiner als Ui; 3. U2 gleich Us.
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An der Vorrichtung gemäß F i g. 4 und 5 bestehen die folgenden Beziehungen:
Die Umfangsgeschwindigkeit U4 des Werkstücks 25 wird bestimmt durch die Umfangsgeschwindigkeit
U5 der Walzrollen 33 und 34. Die Umfangsgeschwindigkeit der Walzrolle 26 ist Us.
Es ergibt sich: 1. U4 gleich U5; 2. U6 größer als U4.