DE19534631A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten einer Werkstückoberfläche mit einem in einem hydrostatischen Lager gelagerten Walzkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Werkstückoberfläche mit einem in einem hydrostatischen Lager gelagerten Walzkörper.

Ein Walzwerkzeug zum Glatt- und/oder Festwalzen mit einem in einem hydrostatischen Lager gelagerten Walzkörper ist aus dem europäischen Patent 353 376 B1 bekannt. Dieses Walzwerkzeug wird an die Werkstückoberfläche angelegt und beim Bearbeiten der Werkstückoberfläche derart der Oberfläche nachgeführt, daß die Werkstückoberfläche mit einer konstanten Walzkraft bearbeitet wird.

Dieses Walzwerkzeug ist bewährt und eignet sich für Werkstoffe, die dem Werkzeug einen hinreichend hohen Widerstand entgegensetzen, um eine unzulässig hohe Umformung auszuschließen. Dies trifft für Werkstoffe mittlerer und hoher Festigkeit bzw. Härte zu. Bei Werkstoffen niedriger Festigkeit und vor allem bei dünnen Wandstärken kann das Bearbeiten mit konstanter Walzkraft jedoch zu unzulässigen Umformungen bis hin zur Durchtrennung des Materials führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art vorzuschlagen, mit denen auch Werkstücke niedriger Festigkeit und dünne Wandstärken bearbeitet werden können.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß das hydrostatische Lager in einem konstanten Abstand zu einer theoretischen Werkstückoberfläche gehalten wird und die Lage des Walzkörpers relativ zum hydrostatischen Lager beim Bearbeiten der Werkstückoberfläche durch die Werkstückoberfläche verändert wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine konstante Walzkraft Abweichungen der realen Werkstückoberfläche von der gewünschten theoretischen Werkstückoberfläche verfestigt oder sogar noch verstärkt und somit vor allem bei dünnen Wandstärken sogar Zerstörungen des Werkstücks auftreten können.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht daher vor, eine theoretische oder ideale Werkstückoberfläche zu definieren, die bei kreisförmigen Werkstücken in den meisten Fällen der idealen Kreislinie entspricht und bei im wesentlichen ebenen Werkstücken einer glatten Fläche oder einer geraden Linie. Das hydrostatische Lager, in dem der Walzkörper gelagert ist, wird in konstantem Abstand zu dieser theoretischen Werkstückoberfläche gehalten und die Lage des Walzkörpers wird beim Bearbeiten der Werkstückoberfläche relativ zum hydrostatischen Lager durch das Einwirken der Werkstückoberfläche auf den Walzkörper verändert.

Dies hat zur Folge, daß bspw. in Bereichen, in denen ein rundes Werkstück den Idealdurchmesser übersteigt, die Werkstückoberfläche den Walzkörper gegen das hydrostatische Lager drückt und dadurch der Spalt zwischen hydrostatischem Lager und Walzkörper verringert wird. Dadurch steigt die vom Walzkörper auf die Oberfläche des Werkstücks ausgeübte Kraft und somit werden die Bereiche des Werkstücks, die den Idealdurchmesser übersteigen, mit einer erhöhten Kraft bearbeitet.

In Bereichen, in denen der reale Werkstückdurchmesser den Solldurchmesser unterschreitet, steigt der Abstand zwischen Werkstückoberfläche und hydrostatischem Lager und somit auch der Abstand zwischen Walzkörper und Lager. Dadurch entweicht mehr Hydraulikflüssigkeit zwischen Lager und Walzkörper und die Kraft, die der Walzkörper auf die Werkstückoberfläche ausübt sinkt.

Wie der Fachmann leicht erkennt, werden durch das erfindungsgemäße Verfahren Werkstückoberflächenbereiche, die die theoretische Oberflächenform übersteigen, stärker bearbeitet als Werkstückoberflächen, die die Sollkontur nicht erreichen.

Somit wird es möglich, auch Werkstücke mit niedriger Festigkeit oder dünnen Wandstärken zu bearbeiten, ohne bei der Bearbeitung unzulässige Verformungen befürchten zu müssen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für kreisförmige oder ebene Oberflächen ebenso wie beliebig regelmäßig oder unregelmäßig geformte Oberflächen, bei denen die reale Werkstückoberfläche von der gewünschten theoretischen Werkstückoberfläche abweicht. Außerdem können in der realen Werkstückoberfläche Vertiefungen, wie Nuten, vorgesehen sein, deren Fläche nicht bearbeitet werden soll. In diesem Fall wird die Nut bei der Bestimmung der theoretischen Werkstückoberfläche nicht berücksichtigt.

Vorrichtungsmäßig wird die gestellte Aufgabe mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung gelöst, die eine Halteeinrichtung aufweist, um das hydrostatische Lager in einem konstanten Abstand zu einer theoretischen Werkstückoberfläche zu halten. Dieser Abstand ist so bemessen, daß die Lage des Walzkörpers relativ zum hydrostatischen Lager beim Bearbeiten der Werkstückoberfläche durch die Werkstückoberfläche veränderbar ist. Die Halteeinrichtung bewegt oder hält das Werkstück und/oder das Lager so, daß der geforderte Abstand eingehalten wird. Zur Bearbeitung eines runden Werkstücks ist dabei der Radius zwischen Werkstückmittelpunkt und einem oder mehreren hydrostatischen Lagern konstant zu halten, während bei der Bearbeitung einer ebenen Fläche der Abstand zwischen der die theoretische Werkstückoberfläche definierenden Linie und dem hydrostatischen Lager oder den hydrostatischen Lagern konstant zu halten ist.

Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß an einem Punkt der Werkstückoberfläche, an dem Werkstückoberfläche und theoretische Werkstückoberfläche übereinstimmen, am hydrostatischen Lager ein Druck eingestellt wird, der eine vorbestimmte Walzkraft bewirkt. Alternativ dazu kann auch die Stelle einer hohen Abweichung bestimmt werden, der eine vorbestimmte Walzkraft zugeordnet wird.

Dies wird vorrichtungsmäßig dadurch erreicht, daß die erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Druckeinstelleinrichtung aufweist, mit Mitteln zum Vergleich der Lage der Werkstückoberfläche mit der theoretischen Werkstückoberfläche und Mitteln zur Bestimmung der Walzkraft.

Dadurch kann im Bereich der Übereinstimmung von theoretischer und realer Werkstückoberfläche eine mittlere Walzkraft eingestellt werden, die während der Bearbeitung des Werkstücks in manchen Bereichen des Werkstücks zunimmt und in anderen Bereichen abnimmt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann aber auch der Bereich der stärksten Unterschreitung der Lage der theoretischen Werkstückoberfläche bestimmt werden und in diesem Bereich eine maximale Walzkraft festgelegt werden, die eine Zerstörung des Werkstücks ausschließt. Die übrigen Bereiche des Werkstücks werden dann mit an die Oberflächenbereiche angepaßten höheren Walzkräften bearbeitet.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die Halteeinrichtung eine Zustelleinrichtung aufweist, um das hydrostatische Lager in den konstanten Abstand zu bringen und in diesem Abstand zu halten. Insbesondere bei unregelmäßigen Werkstückformen dient die Zustelleinrichtung dazu, das hydrostatische Lager oder das Werkstück auf einer Linie zu bewegen, die der theoretischen Werkstückoberfläche entspricht.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt eines hydrostatischen Lagers mit einem ein Werkstück bearbeitenden Walzkörper,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Werkzeug mit hydrostatischem Lager und Walzkörper,

Fig. 3 ein Werkzeug mit mehreren hydrosta­ tischen Lagern in Segmentform,

Fig. 4 ein Werkzeug mit mehreren hydrosta­ tischen Lagern in Ringform,

Fig. 5 ein Werkzeug mit mehreren hydrosta­ tischen Lagern in Form einer ebenen Platte,

Fig. 6 ein Schaltbild zur hydraulischen Versorgung des hydrostatischen Lagers,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Veränderung der Drücke in Abhängig­ keit von der Spaltbreite und

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Veränderung der Walzkraft in Ab­ hängigkeit von der Spaltbreite.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 dient der Bearbeitung einer Werkstückoberfläche 2, die im vorliegenden Fall ein Kreissegment eines geschnitten dargestellten runden Werkstücks 3 ist.

Die Vorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus dem Walzkörper 4 und einem Walzkörperhalter 5.

Der Walzkörper 4 ist im vorliegenden Fall eine Kugel, wobei eine Ausbildung des Walzkörpers als Rolle ebenso denkbar ist. Der Walzkörperhalter 5 weist einen oberen schalenartigen Bereich 6 auf, in dem der Walzkörper 4 so gelagert ist, daß er axial zur Werkstückoberfläche 2 hin im Bereich eines Hubes 7 verschiebbar gelagert ist. Auf der der Werkstückoberfläche 2 gegenüberliegenden Seite des Walzkörpers 4 ist eine Leitung 8 für Druckflüssigkeit im Walzkörperhalter 5 vorgesehen. In der Leitung 8 befindet sich eine Drossel 9, die die Leitung 8 in einen ersten Druckraum 10 in Flüssigkeitsrichtung vor der Drossel 9 und in einen zweiten Druckraum 11 hinter der Drossel teilt. Der gesamte Walzkörperhalter 5 ist von einem Gehäuse umgeben, das als Halteeinrichtung 12 wirkt. In der Halteeinrichtung 12 ist ein verschiebbarer Dorn vorgesehen, der als Zustelleinrichtung 13 ein Verschieben des Walzkörperhalters 5 auf einer Linie 14 senkrecht zur Werkstückoberfläche 2 ermöglicht.

Wenn Fluid durch eine Zuführleitung 15 in den ersten Druckraum 10 gebracht wird, entsteht im Druckraum 10 ein hoher Druck P1 und auf der anderen Seite der Drossel 9 im zweiten Druckraum 11 ein verringerter Druck P2, der gegen den Walzkörper 4 wirkt, der im schalenartigen Bereich 6 des Walzkörperhalters 5 gelagert ist. Durch den Druck der Druckflüssigkeit entsteht zwischen dem Walzkörper 4 und dem Walzkörperhalter 5 ein ringförmiges hydrostatisches Lager 16 und der Walzkörper 4 wird gegen die Werkstückoberfläche 2 des Werkstücks 3 gedrückt. Da sich das Werkstück 3 und der Walzkörperhalter 5 relativ zueinander bewegen, rollt der Walzkörper 4 an der Werkstückoberfläche 2 ab und bearbeitet dabei das Werkstück 3.

Im vorliegenden Beispiel ist die theoretische Werkstückoberfläche 17 eine ideale Kreislinie, wobei das Werkstück 3 in einem Bereich 18 einen überhöhten Radius und in einem Bereich 19 einen verringerten Radius aufweist. Der Punkt 20 zeigt einen Bereich der Werkstückoberfläche, an dem die Werkstückoberfläche 12 und die theoretische Werkstückoberfläche 17 übereinstimmen.

Während im Bereich 20 das Werkstück 3 mit einer über die Drücke der Druckflüssigkeit vorbestimmten Festwalzkraft 21 bearbeitet wird, erhöht sich im Bereich 19 der Hub 7 und somit der Abstand a zwischen dem Walzkörper 4 und dem Walzkörperhalter 5 im Bereich des hydrostatischen Lagers 16 und somit verringert sich die Festwalzkraft 21. Im Bereich 18 wird dieser Abstand a verringert und dadurch erhöht sich die Festwalzkraft 21 in dem Bereich, in dem das Werkstück 3 einen erhöhten Radius aufweist.

Fig. 2 zeigt einen Walzkörperhalter 5 mit angeschlossener Druckleitung 22 und Fig. 3 vier Walzkörperhalter, die auf einer gemeinsamen Halteeinrichtung 12′ auf einem Kreissegment angeordnet sind. Die Walzkörperhalter in Fig. 4 sind auf einer ringförmigen Halteeinrichtung 12′′ angeordnet und dienen ebenso wie die Walzkörperhalter in Fig. 3 der Bearbeitung eines Werkstücks mit einer theoretischen Werkstückoberfläche, die einer Kreislinie entspricht.

Fig. 5 zeigt eine Halteeinrichtung 12′′′, bei der mehrere Walzkörperhalter 5 leicht zueinander versetzt auf einer Ebene angeordnet sind. Eine derartige Halteeinrichtung 12′′′ dient im Gegensatz zu den vorher erwähnten Halteeinrichtungen 12′ und 12′′ der Bearbeitung ebener Flächen.

Das in Fig. 6 gezeigte Schaltbild zeigt die Druckversorgung der Vorrichtung 1. Die Pumpe 23 fördert Hydraulikflüssigkeit aus einem Vorratsbehälter 24 über den Druckschlauch 22 zur Drossel 9 und letztlich zum hydrostatischen Lager 16. Ein Überdruckventil 25 vermeidet die Überschreitung des zulässigen Systemdruckes, der mittels eines Manometers 26 angezeigt wird.

Fig. 7 zeigt die Drücke P1 und P2 im ersten Druckraum 10 bzw. im zweiten Druckraum 11 in Abhängigkeit von der Spaltbreite a im hydrostatischen Lager 16 zwischen dem Walzkörper 4 und dem Walzkörperhalter 5. Dabei ist deutlich zu erkennen, daß bevor ein Spalt entsteht, die Drücke in beiden Druckräumen 10, 11 identisch sind und bei einer kleinen Spaltbreite vor allem der Druck P2 im zweiten Druckraum 11 stark abfällt, während der Druck P1 im ersten Druckraum 10 vor der Drossel 9 nur geringfügig abfällt. Bei einer Erhöhung der Spaltbreite a sinkt der Druck im zweiten Druckraum 11 auf einen Wert nahe Null während sich der Druck P1 vor der Drossel asymptotisch einem konstantem Wert annähert.

Fig. 8 zeigt die Veränderlichkeit der Festwalzkraft 21 in Abhängigkeit vom Abstand a im hydrostatischen Lager 16. Während ein kleiner Abstand a1 eine relativ hohe Festwalzkraft F2 bewirkt, sinkt die Festwalzkraft auf einen niedrigeren Wert F1, wenn sich der Spalt a vergrößert. Die Festwalzkraft 21 ist dem Druck P2 im zweiten Druckraum 11 proportional. Da sich der Abstand a nur in einem durch den Walkörperhalter 5 bestimmten Bereich ändern kann, ist durch die Einstellung der Drücke ein bestimmter Bereich festgelegt, in dem die Festwalzkraft variiert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich vor allem zur Massivumformung dünnwandiger Bauteile aus Werkstoffen niedriger Festigkeit, wobei das erfindungsgemäße Verfahren die Einhaltung der Fertigtoleranz des Bauteils unabhängig von Abweichungen im vorbearbeiteten Zustand erleichtert. Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsgebiet liegt im Bereich des Glattwalzen unterbrochener Oberflächen. Bei dieser Anwendung verhindert das erfindungsgemäße Verfahren das unerwünschte Eindringen des Walzkörpers 2 in Unterbrechungen der Werkstückkontur, wie dies bspw. Nuten und Querbohrungen darstellen.

Claims (5)

1. Verfahren zum Bearbeiten einer Werkstückoberfläche (2) mit einem in einem hydrostatischen Lager (16) gelagerten Walzkörper (4), dadurch gekennzeichnet, daß das hydrostatische Lager (16) in einem konstanten Abstand zu einer theoretischen Werkstückoberfläche (17) gehalten wird und die Lage des Walzkörpers (4) relativ zum hydrostatischen Lager (16) beim Bearbeiten der Werkstückoberfläche (2) durch die Werkstückoberfläche (2) verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Punkt (20) der Werkstückoberfläche (2), an dem Werkstückoberfläche (2) und theoretische Werkstückoberfläche (17) im wesentlichen übereinstimmen, ein hydrostatischer Druck eingestellt wird, der eine vorbestimmte Walzkraft bewirkt.

3. Vorrichtung zum Bearbeiten einer Werkstückoberfläche (2) mit einem in einem hydrostatischen Lager (16) gelagerten Walzkörper (4), dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Halteeinrichtung (12) aufweist, um das oder mehrere hydrostatische Lager (16) in einem konstanten Abstand zu einer theoretischen Werkstückoberfläche (17) zu halten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Druckeinstelleinrichtung (23, 25, 26) aufweist, mit Mitteln zum Vergleichen der Lage der Werkstückoberfläche mit der theoretischen Werkstückoberfläche und Mitteln zur Bestimmung der Walzkraft.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (12) eine Zustelleinrichtung (13) aufweist, um das hydrostatische Lager (16) in den konstanten Abstand zu bringen und in diesem Abstand zu halten.