DE19963897B4

DE19963897B4 - Verfahren zur drallfreien spanenden Bearbeitung von rotationssymmetrischen Flächen

Info

Publication number: DE19963897B4
Application number: DE19963897A
Authority: DE
Inventors: Leo Dr.-Ing. Schreiber; Klaus Trott
Original assignee: Boehringer Werkzeugmaschinen GmbH
Current assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2019-12-31
Also published as: DE19963897A1

Abstract

Verfahren zum spanenden Bearbeiten von rotationssymmetrischen Flächen (1a) bei rotierendem Werkstück (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass eine bezüglich der Rotationsachse (10) des Werkstückes (1) windschiefe Schneide (2a) in einer Tangentialebene der zu erzielenden rotationssymmetrischen Fläche (1a) mit einer linearen Vorschubbewegung (3) bewegt wird die lotrecht zur Richtung der Rotationsachse (10) verläuft oder mit einer linearen Vorschubbewegung (3') bewegt wird die schräg zur Richtung der Rotationsachse (10) verläuft.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum spanenden Bearbeiten von rotationssymmetrischen Flächen bei rotierendem Werkstück.

II. Technischer Hintergrund

Die Drehbearbeitung von rotationssymmetrischen Teilen sowohl im weichen als auch im gehärteten Zustand mit geometrisch bestimmter Schneide ist Stand der Technik. Teilweise werden dabei die Verfahren Schleifen, Finishen, Honen und ähnliche Verfahren substituiert.

Schneidstoffe, die eine ausreichende Lebensdauer, auch für die Bearbeitung gehärteter Werkstücke, bieten, stehen inzwischen in unterschiedlichen Ausführungsformen zur Verfügung.

Eine Bearbeitung nach dem Härten ist in der Regel notwendig, auch wenn die Vorbearbeitung mit hoher Präzision erfolgt, da nach dem Härteprozeß in der Regel zum Teil erhebliche Härteverzüge auftreten. Ein Prozeß, der die Genauigkeit des Werkstückes wieder herstellt, ist somit unerläßlich.

Längsdrehen erzeugt stets eine Oberfläche, die drallbehaftet ist, und zwar gleichgültig, welches Material bearbeitet wird bzw. ob dieses gehärtet oder ungehärtet ist.

Diese Oberfläche weist regelmäßige Strukturen auf (Riefen oder gratförmige Erhebungen), die einer Gewindestruktur (Drall) entsprechen und durch den Vorschub des Werkzeuges entlang dem rotierenden Werkstück eine Steigung erzeugen.

Dies gilt gleichermaßen für zylindrische, kegelige oder anders geformte Werkstückoberflächen. Es liegen also beispielsweise Formen eines Gewindes oder Teilstücke hiervon auf der zu erzielenden Oberfläche des Werkstückes vor.

Der formelmäßige Zusammenhang, der auch in EP 0911099 A1 für das Längsdrehen wiedergegeben ist, der die Gewindetiefe bzw. Rauheit der gewindeartigen Struktur beschreibt, ist in 3 erläutert.

Da die Zerspanungsdaten, insbesondere bei gehärteten Werkstücken für hohe Oberflächengüten in der Regel sehr klein sind, kommt es häufig zu einem relativ langsamen Bearbeitungsfortschritt bzw. einer geringen Zerspanungsleistung.

Während die relativ geringe Zerspanungsleistung einen deutlichen wirtschaftlichen Nachteil bedeutet, bereiten die drallbehafteten Oberflächen Probleme bei hierauf anliegenden Dichtungen, insbesondere, wenn sie sich relativ zu der Oberfläche bewegen, zum Beispiel eine drehende Welle innerhalb einer stehenden Dichtung. Dichtungen in diesem Sinne können etwa die bekannten Radialwellendichtringe sein.

Eine derart drallbehaftete Oberfläche fördert mittels der gewindeförmigen Riefen bzw. Grate entlang der Oberfläche Kühlmittel, Schmiermittel, etc. an der anliegenden Dichtung vorbei, von der einen zur anderen Seite in Axialrichtung, so daß die Dichtwirkung der Dichtung erheblich reduziert wird. Insbesondere bei Maschinen, die z.B. aus hygienischen oder auch aus Umweltschutzgründen ohne Leckage laufen müssen, stellt dies ein ernstzunehmendes Problem dar.

Zusätzlich werden die an der drallbehafteten Oberfläche anliegenden Dichtungselemente an den Berührungslinien oder -flächen durch diese gewindeförmigen Riefen oder Erhebungen vielfach mit der Zeit beschädigt, oder zumindest stark abrasiv beansprucht. Durch diese Abnutzung oder Beschädigung wird ebenfalls oft nach kurzer Zeit die Dichtwirkung erheblich herabgesetzt oder aufgehoben.

Betrachtet man die zur Verfügung stehenden spanenden Bearbeitungsverfahren am rotierenden Werkstück unter Betrachtung dieser beiden Problemstellungen, so ergibt sich folgendes Bild:
Versucht man beim Drehen von rotationssymmetrischen Flächen die gewindeförmige Ausbildung dadurch zu vermeiden, daß das Werkzeug bezüglich des Werkstückes nur radial (Einstechdrehen) bewegt wird, so entsteht wegen der fehlenden Axialbewegung eine drallfreie Oberfläche. Wenn jedoch die Einstechschneide in axialer Richtung so breit ist wie die insgesamt herzustellende rotationssymmetrische Fläche, treten, besonders bei der Bearbeitung von gehärteten Oberflächen, sehr hohe Schnittkräfte auf und wegen der dynamischen Instabilität ist die Neigung zum Rattern hoch. Diese dynamischen Instabilitäten bzw. das Rattern führen fast schlagartig zu so starken Oberflächenunregelmäßigkeiten, daß hier die Oberfläche ebenfalls zur einwandfreien Abdichtung zu unregelmäßig ist.

Bewegt man den Einstechstahl zusätzlich bei breiteren herzustellenden Flächen längs, d.h. in axialer Richtung, wird wieder naturgemäß eine drallbehaftete Oberfläche erzeugt.

Es ist daher Stand der Technik und notwendig, daß der erzeugte Drall, insbesondere die gewindeförmigen Drehriefen mit aufwendigen nachfolgenden Zusatzverfahren ausreichend abgeschwächt oder ganz beseitigt werden müssen, um eine einwandfreie Dichtwirkung zu gewährleisten.

Eine Möglichkeit, den Drall der Oberfläche (Drehriefen) zu vermeiden, könnte das Drehräumverfahren sein, wobei das Räumwerkzeug in tangentialer Richtung am rotierenden Werkzeug vorbeibewegt wird. Sind die einzelnen Schneiden des Drehräumwerkzeuges parallel der Rotationsachse des Werkzeuges ausgerichtet, so entsteht hierbei wieder die Problematik der hohen auf die Schneide wirkenden Kräfte und damit der Hang zu dynamischen Instabilität und der Neigung zum Rattern.

Bei einer Schrägstellung der Schneide beim Drehräumen, was zur Verminderung des Druckes auf die Schneide führt, entsteht jedoch eine gewindeförmige Reststruktur, da die Eingriffspunkte der Schneide am Werkstück unterschiedliche Abstände (Radien) von der Rotationsachse des Werkstückes aufweisen.

Beim Drehräumen mittels eines scheibenförmigen Werkzeuges mit den Schneiden auf dem Werkzeug-Umfang kommt beim Schrägstellen der in sich geraden Schneide noch das Problem hinzu, daß dann eine ballig-konvexe statt einer exakt zylindrischen Fläche am Werkstück erzeugt wird.

Weiterhin wird vielfach als zusätzliches Verfahren das Schleifen der Oberflächen angewendet. Dies bedeutet, daß das Werkstück in der Regel auf einen anderen Maschinentyp umzulagern ist. Die Stückkosten des Werkstückes werden daher durch die Verlängerung der Prozeßkette, d.h. durch den Einsatz einer weiteren Maschine, erheblich belastet und das wirtschaftliche Ergebnis somit deutlich verschlechtert. Weiterhin soll bei der Endbearbeitung der Werkstücke nach Möglichkeit auf das Schleifen verzichtet werden, da dieses in der Regel als Naßverfahren geschieht und somit weitere Umwelt- und Entsorgungsproblematiken über den Schleifschlamm entstehen und nach heutigem Stand das wirtschaftliche Ergebnis weiter belasten.

Hinzu kommt, daß selbst beim Schleifen Drallstrukturen erzeugt werden, die zunächst durch den Abrichtvorgang auf die Schleifscheibe aufgebracht werden und sich schließlich auf dem Werkstück abbilden. Auch beim Finishen, bei dem ein Schleifband oder ein Schleifelement an das Werkstück angelegt wird, entstehen wegen der zusätzlichen Oszillation bzw. Längsbewegung des Finishwerkzeuges relativ zum Werkstück drallbehaftete Oberflächenstrukturen.

Darüber hinaus sind aus DE 4432514 A1 und DE 4223645 A1 Kombinationsverfahren aus Längsdrehen und einem weiteren Behandlungsverfahren bekannt.

III. Darstellung der Erfindung

a) Technische Aufgabe

Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung von sich drehenden rotationssymmetrischen Werkstücken mit bestimmter Schneide zu schaffen, bei dem die entstehende rotationsymmetrische Oberfläche entweder keinen bzw. einen hinsichtlich Transportwirkung und abrasiver Wirkung nur unerheblichen Drall aufweist oder/und bei Bearbeitung der gehärteten Werkstückobertlächen eine besonders hohe Zerspanungsleistung erzielbar ist.

b) Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, daß das Auftreten und/oder Ausmaß der Gewindeform der entstehenden Oberflächenstruktur durch die Größe der Vorschubgeschwindigkeit der Schneiden in Relation zur vorhandenen Schrägstellung der Schneide zur Rotationsachse des Werkstückes, dem vorgegebenen Durchmesser und der Drehzahl des zu bearbeitenden Werkstückes so beeinflußt werden kann, daß kein bzw. ein in der Praxis nicht mehr relevanter Drall der bearbeiteten Oberfläche auftritt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese spezifische erfindungsgemäße Art der Räumbearbeitung sehr viel schneller und mit geringerem Aufwand durchzuführen ist als beispielsweise eine Schleif-, Finish- oder Honbearbeitung (oder vergleichbares Verfahren) zur Beseitigung der Drallstruktur der Oberfläche.

So kann das erfindungsgemäße Drehräumverfahren auf einer normalen Drehmaschine ebenso durchgeführt werden, wie auf einer Drehräummaschine mit beispielsweise scheibenförmigem Werkzeuggrundkörper, sofern die für das erfindungsgemäße Verfahren benutzte Schneide linear und quer, insbesondere lotrecht, zur Rotationsrichtung des Werkstückes, insbesondere in tangentialer Richtung an der zu bearbeitenden rotationssymmetrischen Fläche des Werkstückes vorbeibewegt werden kann.

Sofern – je nach Verwendung des Werkstückes – die Drallminimierung bzw. Drallfreiheit der zu erzeugenden Oberflächen nicht im Vordergung steht, können die Bearbeitungsparameter so verändert werden, daß die erzeugte Oberfläche zwar drallbehaftet ist, die Zerspanungsleistung doch erheblich gesteigert werden kann, was insbesondere bei der Bearbeitung gehärteter Werkstücke von Bedeutung ist. Damit entsteht unter anderem ein sehr wirtschaftliches Verfahren mit hohen Oberflächengüten.

e) Ausführungsbeispiele
Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1: Eine perspektivische Darstellung der Bearbeitungssituation,
2: Eine Darstellung der Situation der 1 quer zur Rotationsrichtung 10 und zur Vorschubbewegung 3, und
3: eine Darstellung der Situation beim Längsdrehen.
Zunächst ist in 3 dargestelt, wie sich z. B. beim Längsdrehen durch den in Rotationsrichtung des Werkstückes bewegenden Schneidstahl und dessen Schneidenrundung r_E eine gewindeartige Oberfläche ergibt:
Bei gleichbleibendem Vorschub f, ausgedrückt in mm/Umdrehung des Werkstückes, entsteht eine helixförmige Riefe 5, deren Windungs-Abstand in Richtung der Rotationsachse 10 bei gleichbleibendem Vorschub f konstant ist. Die Tiefe t' dieser Riefen hängt dabei ersichtlich von der Größe des Eckenradius r_E der erzeugenden Schneide ab: Je größer dieser Eckenradius r_E ist, um so flacher fallen die Flanken der Riefe aus und damit wird die Tiefe t' um so geringer. Der formelmäßige Zusammenhang lautet:
In der Einstellung wenigstens einer der Kanten der Schneide, insbesondere der Nebenschneide, die zur Schneidenecke hinführen, in möglichst geringem Winkel, vorzugsweise parallel, zur Richtung der Rotationsachse 10, liegt dabei in der Regel die einzige gangbare Möglichkeit, um die Tiefe t' zu minimieren, da der Vorschub f aufgrund vorgegebener Taktzeiten etc. in der Produktion nicht beliebig reduziert werden kann.
Demgegenüber zeigen die 1 und 2 die erfindungsgemäße Situation: Wie 1 zeigt, rotiert das Werkstück 1, an dem sich die zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche 1a befindet, um die Rotatinsachse 10, bei Drehmaschinen oder Drehräummaschinen üblicherweise als Z-Richtung bezeichnet, auf denen die X- und Y-Richtung üblicherweise jeweils lotrecht stehen.
Die zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche 1a besitzt in Z-Richtung 10 eine Breite b, und soll in der Regel als Anlagefläche für einen Radialwellendichtring oder vergleichbares Element bei der späteren Anwendung dienen.
Das Werkzeug 2 wird mit seiner schräg zur Z-Richtung stehenden Schneide 2a in einer Vorschubrichtung 3, die parallel zu einer der Tangentenflächen an der rotationssymmetrischen Fläche 1a ist, so quer zur Richtung der Rotationsachse 10 am Werkstück entlang geführt, dass die einzelnen Schneidenbereiche nacheinander mit in Z-Richtung unterschiedlichen Bereichen der rotationssymmetrischen Fläche 1a in Berührung kommen, wobei die Erstreckung der Schneide 2a in Richtung der Rotationsachse, also in Z-Richtung 10, gleich oder größer der Breite b der zu bearbeitenden Fläche a ist. Die Vorschubrichtung 3 des Werkzeuges kann dabei in einer Ebene liegen, die lotrecht zur Rotationsachse 10 des Werkstückes ist, also in einer Radialebene des Werkstückes, oder in einer schräg zur Rotationsachse 10 liegenden Ebene (Vorschubrichtung 3').
Betrachtet in Z-Richtung 10 des Werkstückes stellt (siehe 1a die Vorschubrichtung 3 bzw. 3' jedoch immer eine Tangente an den Soll-Durchmesser der zu bearbeitenden rotationssymmetrischen Fläche dar.
Das Werkstück 1 rotiert während der Bearbeitung in einer Drehrichtung 7 so, dass im Kontaktbereich zwischen Schneide 2a und zu bearbeitender Fläche 1a die Oberfläche des Werkstückes 1 gegen die Schneide 2a läuft.
Die Aufsicht in Y-Richtung der 2 zeigt den Schrägstellungswinkel α gegenüber der Rotationsachse 10 des Werkstückes 1 und die in der Aufsicht im rechten Winkel zu dieser Rotationsachse verlaufende Vorschubbewegung 3 der Schneide 2a.
Auf Grund der vom rechten zum linken Eck der Schneide 2a der 2 bei der Bearbeitung ablaufenden Schälbewegung ergibt sich die gewindeartige Oberfächenstruktur gemäß 2. Diese Oberflächenstruktur wird gebildet durch eine gewindeartige Riefe 5, deren einzelne Windungen unmittelbar in Längsrichtung des Werkstückes aneinander angrenzen, und zwischen sich einen Gewindegrat 6 bilden.
Die Riefen 5 sind gegenüber der Realität stark übertrieben dargestellt. Die Tiefe der Riefe 5 wird als Dralltiefe t bezeichnet, während der in Z-Richtung 10 gemessene Abstand zwischen zwei Windungen des Grates 6 bzw. der Riefen 5 als Drallsteigung s bezeichnet wird.
Die Schneide 2a kann auch entlang einer Vorschubbewegung 3', die quer zur Rotationsachse 10 und insbesondere lotrecht auf der Schneide 2a steht, bezüglich des Werkstückes 1 bewegt werden, wobei dann eine etwas geringere Breite der Schneide 2a erforderlich ist.
Die Drallsteigung s hängt von dem Räumvorschub f, der den Fortschritt in Vorschubbewegung 3, gemessen in Millimetern pro Umdrehung des Werkstückes angibt, und von dem Schrägstellungswinkel a wie folgt ab:
Die Dralltiefe t hängt vom bis zu den Tälern zwischen den Graten 6 gemessenen Radius (Kerndurchmesser) des Werkstückes an der zu bearbeitenden Fläche 1a und dem Räumvorschub f wie folgt ab:
Auf Grund der Darstellung der 2 wird klar, dass bei Erreichen einer Dralltiefe t = 0 oder wenigstens t < 1 μm, insbesondere t < 0,4 μm, insbesondere t < 0,2 μm die Größe der Drallsteigung s keine Rolle mehr spielt.
In erster Linie wird daher beabsichtigt, den Räumvorschub f_r so niedrig wie möglich zu halten, insbesondere so niedrig, daß die Dralltiefe t wesentlich kleiner, insbesondere mindestens um den Faktor 3, besser um den Faktor 5, kleiner, als die Rauhtiefe R_z der so erzeugten Oberfläche wird. Die Rauhtiefe R_z liegt üblicherweise im Bereich zwischen 1,5 μm und 6 μm.

1: Werkstück
1a: rotationssymmetrische
: Fläche
2: Werkzeug
2a: Schneide
3, 3': Vorschubbewegung
4: Tangente
5: Riefe
6: Grat
7: Drehrichtung
8: Arbeitslinie
10: Z-Richtung, Rotationsachse
11: X-Richtung
12: Y-Richtung
f: Vorschub
f_r: Räumvorschub
α: Schrägstellungswinkel
r: Werstückradius
s: Drallsteigung
t: Dralltiefe
b: Breite der Fläche 1a
R_z: Rauhtiefe

Claims

Verfahren zum spanenden Bearbeiten von rotationssymmetrischen Flächen (1a) bei rotierendem Werkstück (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass eine bezüglich der Rotationsachse (10) des Werkstückes (1) windschiefe Schneide (2a) in einer Tangentialebene der zu erzielenden rotationssymmetrischen Fläche (1a) mit einer linearen Vorschubbewegung (3) bewegt wird die lotrecht zur Richtung der Rotationsachse (10) verläuft oder mit einer linearen Vorschubbewegung (3') bewegt wird die schräg zur Richtung der Rotationsachse (10) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneide (2a) eine in sich gerade Schneide (2a) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägstellung der Schneide (2a) gegenüber der Rotationsachse (10) zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen 20° und 50°, beträgt.