DE2901184C2 - Process and device for the control-related compensation of deviating changes in length on threaded spindles - Google Patents
Process and device for the control-related compensation of deviating changes in length on threaded spindlesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine (,5 Einrichtung zur regeltechnischen Kompensation abweichender Langcnändcrungcn beim Oberflachenhärten nach R.indschii'h'.erwärmuriL' von Gewindespiiideln im axialen Vorschubbetrieb. Die Randschichterwärmung kann in bekannter Weise durch MF- oder HF-induktive Erwärmung oder Flammenerwärmung erfolgen. Das Verfahren ist besonders dann anwendbar, wenn Gewindespindeln mit hohem Schlankheitsgrad gefertigt werden sollen, bei denen sehr hohe Anforderungen bezüglich der Maßhaltigkeit gestellt werden. Derartige Gewindespindel sind z. B. die als Steuer-, Meß- und Antriebselemente in Meß- und Bearbeitungsuiaschinen verwendeten Kugelumlaufspindeln. The invention relates to a method and a device for the control-related compensation of deviating changes in length during surface hardening according to R.indschii'h'.erwärmuriL 'of thread flutes in the axial feed operation The method is particularly applicable when threaded spindles are to be manufactured with a high degree of slenderness, where very high demands are placed on dimensional accuracy used ball screws.
Der hohe Gebrauchswert der Kugelumlaufspindeln wird sowohl durch geeignete Werkstoffauswahl und optimale Werkstoffbehandlung durch Stoffeigenschaftsändern zur Sicherung der Festigkeit und der Lebensdauer als auch durch Fertigungstechnologien des Präzisionsgerätebaues bezüglich der Geometrie des Gewindeprofils, des Kontaktes zwischen Kugel und Gewinderille, der günstigsten Entlastung der Axialkräfte sowie der Empfindlichkeit und Genauigkeit erreichtThe high utility value of the recirculating ball screw is achieved both through the selection of suitable materials and optimal material treatment by changing material properties to ensure strength and service life as well as by manufacturing technologies of the Precision engineering with regard to the geometry of the thread profile, the contact between the ball and Thread groove, the most favorable relief of the axial forces as well as the sensitivity and accuracy achieved
Die Werkstoffbehandlung der Gewindespindel durch ein Verfahren des Stoffeigenschaftsänderns stellt dabei ein besonders kritischen Problem dar.The material treatment of the threaded spindle by means of a process of changing the material properties represents poses a particularly critical problem.
In der Regel werden die aus legierten Kaltarbeitsstählen, Vergütungs- oder Einsatzstählen gefertigten Gewindespindeln einer Volumenärtung oder thermischen bzw. chemisch-thermischen Oberflächenhärtung unterzogen. Dabei lieg t der Arbeitsgang »Wärmebehandlung« aus fertigungstechnischen ökonomischen Gründen nach der Vorbearbeitung des Gewindes, dessen Steigungsfehler nach der Wärmebehandlung und dem Fertigschleifen für die Güteklasse 1 maxima! 2 μπτ/Gang und S μηι über 300 mm betragen dürfen.As a rule, the threaded spindles made of alloyed cold work steels, heat treatable steels or case-hardened steels are subjected to volume hardening or thermal or chemical-thermal surface hardening. Here lie the operation "heat treatment" t for manufacturing economic reasons after the pre-processing of the thread whose pitch error maxima for Class 1 after heat treatment and finish grinding! 2 μπτ / gear and S μηι may be over 300 mm.
Längensollmeßabweichungen von = ±0,15 mm unabhängig von der Länge der Gewindespindeln sind als Folge der bekannten Volumenänderungen durch die Gefügeumwandlung beim Härten und Anlassen bzw. thermischen Altern nicht zu halten. Es ist bekannt, daß in Abhängigkeit von der ausgewählten Stahlsorte und vom realisierten Verfahren des Stoffeigenschaftsänderns Längenmaßänderungen von 0,05% bis 0,15% auftreten, die durch die metallurgische Vorgeschichte des eingesetzten Werkstoffes noch einen chargenbedingten und durch die verfahrenstechnisch möglichen Schwankungen in der Prozeßführung bei der thermischen Behandlung einen prozeßbedingten objektiven und subjektiven Einfluß unterliegen, der in der Größenordnung von ±0,03% liegt Damit ist die Fertigbearbeitung gehärteter, vorbearbeiteter Gewindespindeln mit eitier Länge > 500 mm in Frage gestellt Ausfälle in der Größenordnung bis zu 25% durch unzulässige Verlängerung oder Verkürzung der Gewindespindel sind die Folge, mindern das ökonomische Ergebnis der Fertigung und stellen alle Produzenten von hochgenauen Gewindespindeln vor schwierige Probleme.Nominal length measurement deviations of = ± 0.15 mm independent of the length of the threaded spindles cannot be maintained as a result of the known volume changes due to the structural transformation during hardening and tempering or thermal aging. It is known that, depending on the type of steel selected and the implemented method of changing the material properties, changes in length of 0.05% to 0.15% occur, which are still batch-related due to the metallurgical history of the material used and due to the process-related fluctuations in the process management During the thermal treatment are subject to a process-related objective and subjective influence, which is in the order of magnitude of ± 0.03% Lengthening or shortening the threaded spindle are the result, reduce the economic result of production and pose difficult problems for all producers of high-precision threaded spindles.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Ausfallquote auf ein Minimum zu senken und die Voraussetzung dafür zu schaffen, mit gutem ökonomischen Ergebnis auch Gewindespindeln großer Länge fertigen zu können.The aim of the invention is to reduce the failure rate to a minimum and the requirement to create thread spindles of great length with good economic results can.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur regeltechnischen Kompensation abweichender Längenänderungen während des Oberflächenhärtens nach Randschichterwärmung von Gewindespindel im axialen Vorschubbetrieb zn entwickeln, welche gewährleisten, daß eine maximal zulässige Längenänderung des Gewindeteils von ifl.liniii;. ur,;ibhütik·!,.' von ck'i SinrHrlläfige. be1 The invention is based on the object of developing a method and a device for the control-related compensation of deviating changes in length during surface hardening after the surface layer heating of the threaded spindle in the axial feed operation, which ensures that a maximum permissible change in length of the threaded part of ifl.liniii ;. ur,; ibhütik ·!,. ' by ck'i SinrHrlläfige. be 1
Einhaltung aller natw.-eiigen GebrauphswertpaFameter nicht überschritten wird.Compliance with all natural usage parameters is not exceeded.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß während des Härteprozesses laufend die Längenänderungen an der Gewindespindel gemessen werden, daß die jeweiligen Meßwerte laufend mit vorgegebenen Längenänderungswerten in Beziehung gesetzt und daraus laufend analoge Steuersignale zur Regelung der Härtungsbedingungen und damit zur Kompensation der abweichenden Längenänderungen abgeleitet werden.The solution to the problem is that the length changes continuously during the hardening process the threaded spindle can be measured that the respective measured values continuously with predetermined length change values related and continuously analog control signals to regulate the hardening conditions and thus derived to compensate for the deviating changes in length.
Die Einrichtung zur regeltechnischen Kompensation abweichender Längenänderungen ist für eine Härtemaschine vorgesehen, die unter anderem eine der Werkstückgeometrie optimal angepaßte Einheit einer regelbaren Wärmequelle und einer Abschreckbrause sowie eine im wesentlichen aus Motor und Getriebe bestehende Vorschubeinrichtung zur axialen Verschiebung dieser Einheit bezüglich der einseitig eingespannten Gewindespindel enthält Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß mit dem freien Stirnende der Gewindespindel ein Meßtaster zur Erfassung der Längenänderungen Δ1 der Spindel in Kontakt stebt, daß mit der Einheit Wärmequelle/Abschreckbrause Ober ein mechanisches Getriebe ein Meßwertaufnehmer zur Erfassung des Härteweges s gekoppelt ist, daß zwei der Eingänge eines Rechners mit den Ausgängen des Meßtasters und des Meßwertaufnehmeifs verbunden sind, daß ein weiterer Eingang des Rechners für die Eingabe vorgegebener Längenänderungswerte und ein Ausgang für analoge Steuersignale zur Kompensation der abweichenden Längenänderungen vorgesehen istThe device for the control-related compensation of deviating changes in length is provided for a hardening machine which, among other things, contains a unit of a controllable heat source and a quenching spray that is optimally adapted to the workpiece geometry, as well as a feed device consisting essentially of a motor and gearbox for the axial displacement of this unit with respect to the threaded spindle clamped on one side is characterized in that with the free end of the threaded spindle a probe for detecting the changes in length Δ1 of the spindle sticks in contact, that with the unit heat source / quenching shower via a mechanical gearbox a transducer for detecting the hardness path s is coupled, that two of the inputs of one Computer are connected to the outputs of the probe and the Meßwertaufnehmeifs that a further input of the computer for the input of predetermined length change values and an output for analog control signals to compensate for the deviating changes in length is provided
AusführungsbeispielEmbodiment
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel für die Längenkompensation bei induktiv gehärteten Kugelumlaufspindeln näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigtThe invention is to be based on an exemplary embodiment for length compensation for inductively hardened recirculating ball screws are explained in more detail. In the drawing shows
Fig. 1 das Prinzip der Anordnung — Werkstück — Induktor — Abschreckbrause,Fig. 1 the principle of the arrangement - workpiece - Inductor - quenching shower,
F i g. 2a Längenänderungen in Abhängigkeit von der Einhärtetiefe für den Werkstoff Cf 55,F i g. 2a length changes depending on the hardening depth for the material Cf 55,
F i g. 2b für den Werkstoff UR 100 Cr Mn 6,F i g. 2b for the material UR 100 Cr Mn 6,
Fig.3 das Diagramm zur Ermittlung des Längenänderungswertes K, 3 shows the diagram for determining the length change value K,
F i g. 4 den Längenänderungsveriauf einer Spindel aus UR 100 Cr Mn 6 mit den Abmaßen 63 · 10 · 1655 mm,F i g. 4 the change in length of a spindle made of UR 100 Cr Mn 6 with the dimensions 63 · 10 · 1655 mm,
F i g. 5 die erfindungsgemäße Kompe-nsationseinrichtung. F i g. 5 the compensation device according to the invention.
In Fig. 1 ist die zur MF oder HF-induktiven Oberflächenhärtung einer Kugelumlaufspindel 1 mit vorgearbeitetem Gewinde angewendete Anordnung eines Induktors 2 mit nachfolgender Ring-Spalt-Brause 3 dargestellt Der Vorschubbewegung der Gewindespindel ist in bekannter Weise eine Rotationsbewegung um die Spindelachse überlagertIn Fig. 1 the for MF or RF inductive Surface hardening of a recirculating ball screw 1 with a pre-machined thread applied arrangement an inductor 2 with subsequent ring-gap shower 3 shown The feed movement of the threaded spindle a rotational movement about the spindle axis is superimposed in a known manner
Mit der Anordnung nach Fig. 1 werden die Längenänderungen Aider Gewindespindeln in Abhängigkeit von der Einhärtetiefe h ermittelt (F i g. 2a und 2b). Die Längenänderungen beziehen sich auf den Endzustand der Härtung »gehärtet und angelassen«. Ähnliche Kurven wie für die Werkstoffe Cf 55 und UR 100 Cr Mr 6 wurden auch bei Verwendung der Werkstoffe C 60 und 58 Cr V 4 aufgestellt. Daraus läßt sich schlußfolgern, daß das Ziel der Erfindung bei allen üblichen Stahlmarken sowie unabhängig von der Gestaltsgeometrie und der Werkstoffcharge erreicht wird. In F i g. 3 ist der Kompensationsvorgang scbematisch dargestellt. Auf Grundlage der Ergebnisse aus F i g, 2 und unter Berücksichtigung konstruktiv vorgegebener Einhärtetiefen von h = (5 ± 1) mm für Gewindespindeln S 63 mm 0 und von Λ = (3,2 ± 0,5) mm für Gewindespindeln im Durchmesserbereich von 25 bis 50 mm werden mechanische Längenänderungswerte, z.B. K\ = —0,02% für 0 25 bis 50mm und Ki = —0,15% für alle 0 ä 63 mm, ausgewählt Im Durchmesser-Längen-Änderungs-Diagramm schneiden unter diesen Bedingungen die Linien gleicher Einhärtetiefe die Durchmesserachse in den Punkten A und B, d. h. für die 0 63 und 130 mm erfolgt für h = 3,2 bzw. h = 5,0 eine volle Längenkompensation. Sollen Gewindespindeln im Durchmesserbereich links von den beiden Grenzdurchmessern maßänderungsfrei wärmebehandelt werden, sind größere Einhärtetiefen erforderlich. Der zulässige Toleranzbereich wird dabei aber nicht überschritten.With the arrangement according to FIG. 1, the changes in length Aid the threaded spindles are determined as a function of the hardening depth h (FIGS. 2a and 2b). The changes in length relate to the final hardening state "hardened and tempered". Curves similar to those for the materials Cf 55 and UR 100 Cr Mr 6 were also drawn up when using the materials C 60 and 58 Cr V 4. It can be concluded from this that the aim of the invention is achieved with all common steel brands and regardless of the shape geometry and the material charge. In Fig. 3 the compensation process is shown schematically. On the basis of the results from Fig. 2 and taking into account the structurally specified hardening depths of h = (5 ± 1) mm for threaded spindles S 63 mm 0 and Λ = (3.2 ± 0.5) mm for threaded spindles in the diameter range of 25 Up to 50 mm mechanical length change values, e.g. K \ = -0.02% for 0 25 to 50 mm and Ki = -0.15% for all 0 - 63 mm, are selected. In the diameter-length change diagram, the Lines with the same hardening depth form the diameter axis at points A and B, ie for the 0 63 and 130 mm, a full length compensation takes place for h = 3.2 and h = 5.0. If threaded spindles are to be heat-treated without dimensional changes in the diameter range to the left of the two limit diameters, greater hardening depths are required. However, the permissible tolerance range is not exceeded.
F i g. 4 zeigt den typischen Längenänderungsverlauf der Gewindespindel. Nach einer Einlaufphase während der ersten 200 mm, die durch das Einstellen des Gleichgewichts zwischen erwärmten und abgeschreckten Spindelteil bestimmt wird, stellt &äi ein linearer Verlauf der Längenzunahme ein. Der über Ausgangssignale des Meßwertgebers ausgewiesene Anstieg dieser Geraden wird durch Leistungs- oder Härtegeschwindigkeitssteuerung, bzw. einer Kombination aus beiden, auf den vorgsgebenen mechanischen Längenänderungswert K über die Härtetiefe optimiert. Damit ist die sichere Voraussetzung für die thermische Behandlung der Gewindespindeln ohne unerwünschte Maßänderungen geschaffen.F i g. 4 shows the typical change in length of the threaded spindle. After a running-in phase during the first 200 mm, which is determined by setting the balance between the heated and quenched spindle part, a linear course of the increase in length sets in. The rise of this straight line indicated by the output signals of the transducer is optimized by power or hardness speed control, or a combination of both, to the given mechanical length change value K over the hardness depth. This creates the safe prerequisite for the thermal treatment of the threaded spindles without undesired changes in dimensions.
Fig.5 enthält einen Vorschlag zur praktischen Realisierung der Erfindung. Das zu härtende Werkstück (Gewinde- bzw. Kugelumlaufspindel 1) ist in ein J5 Spannfutter 4 eingespannt Es wird durch einen Motor 5 in eine Drehung um die Spindelachse versetzt Als regelbare Wärmequelle dient für den Fall der induktiven Oberflächenhärtung der Induktor 2 in Verbindung mit dem Generator 6. Mit 3 ist die als Ring-Spalt-Brause ausgebildete Abschreckbrause bezeichnet Die aus Induktor und Ring-Spalt-Brause bestehende Einheit wird mit der Vorschubeinrichtung 7 in axialer Richtung bewegt Die Längenänderungen der Kugelumlaufspindel 1 während des Härtevorganges erfaßt ein Meßtaster 8, dessen Ausgangssignale ΔΙ in einen Rechner 9 eingegeben werden. Zur Erfassung des Härteweges 5 ist ein als inkrementaler Drehmelder 10 ausgebildeter Meßwertaufnehmer geeignet, welcher über ein mit der Einheit Induktor/Ring-Spalt-Brause verbundenes Systern Zahnstange/Ritzel 11/12 angetrieben wird. Die Härtegeschwindigkeit ν kann mit dem Tachometer 13 gemessen und durch die digitale Anzeige 14 angezeigt werden. Der Rechner 9 besitzt ebenfalls Anzeigeeinheiten 15, 16, 17 für den Hirteweg s, die gemessenen Läfi'eniiiderungen ΔΙ und die errechneten relativen Längenänderungen ΔΙ&. 5 contains a proposal for the practical implementation of the invention. The workpiece to be hardened (threaded or recirculating ball screw 1) is clamped in a J 5 chuck 4 It is set in rotation around the spindle axis by a motor 5 Generator 6. With 3 designed as a ring-gap shower is called the quenching shower. The unit consisting of inductor and ring-gap shower is moved with the feed device 7 in the axial direction Output signals ΔΙ are entered into a computer 9. To detect the hardness path 5, a measured value sensor designed as an incremental resolver 10 is suitable, which is driven via a rack / pinion 11/12 system connected to the inductor / ring / gap shower unit. The hardening speed ν can be measured with the tachometer 13 and displayed on the digital display 14. The computer 9 also has display units 15, 16, 17 for the Hirteweg s, the measured Läfi'eniiiderungen ΔΙ and the calculated relative changes in length ΔΙ &.
Die 1. Gerätegenei'ation einer Härtemaschine mit Längenkompensationseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß über digitale Anzeige die Härtegeschwindigkeit in mm/s, del gesamte Härteweg, die Gesamtlängenänderungen während des thermischen Prozesses und über den Rechner ausgewiesen; die Längeninderungen in Promille nach Ablauf einer Einlaufphase angezeigt sowie der Verlauf der Längenänderungen b:> während des Prozeßablaufes registriert werden. Bei Abweichungen der ausgewiesenen Längenänderr.ngcn in Promille vom erforderlichen Korrekturwert wird manuell über Veränderung der Leistungsdichte/cm2 The 1st device generation of a hardening machine with length compensation device is characterized in that the hardening speed in mm / s, del total hardness path, the total length changes during the thermal process and on the computer are shown on a digital display; the length reductions in per mille are displayed after a running-in phase and the course of the length changes b:> are registered during the process sequence. If the shown length change in per mille deviates from the required correction value, a manual change in the power density / cm 2
29 Ol 18429 Ol 184
Werkstückoberfläche, d. h. im Beispiel durch Änderung der MF-Leistung und der Härtegeschwindigkeit, solange eine Korrektur durchgeführt, bis die ausgewiesene Längenänderung dem Sollkorrekturwert entspricht.Workpiece surface, d. H. in the example by change the MF power and the hardening speed as long as a correction is carried out until the indicated change in length corresponds to the nominal correction value.
In der 2. Generation wird es für erforderlich gehalten, die Einrichtung mit einem Drucker 18 zu komplettieren. Die erhaltenen Ausdrucke können als Qualitätszertifikat für die Prozeßstufe thermische Oberflächenhärtung herangezogen werden. Mit einer etwa Hstelligen Ziffernfolge könnten dann Angaben über Werkstücktyp (Abmessungsparameter), Sach-Nr., Werkstoffmarke über Kennzahl, Chargen-Nr. und erreichte Längenänderung gemacht werden.In the 2nd generation it is considered necessary to complete the device with a printer 18. The printouts obtained can be used as a certificate of quality can be used for the thermal surface hardening process stage. With about a figure The sequence of digits could then provide information on the type of workpiece (dimension parameters), part number, material brand via code number, batch no. and achieved change in length be made.
In der 3. Generation werden die vom Rechner ausgewiesenen Längenanderungen in Promille mit dem eingegebenen jeweils erforderlichen Korrekturwert laufend verglichen und die Differenzsignale + oder — Sollkorrektur zur automatischen Steuerung der Leistungsdichte/cm2 Werkstückoberfläche, primär über Änderung der Härtegeschwindigkeit als Haupteinflußparameter, herangezogen. Damit ist der Schritt zu einer rechnergesteuerten Härteanlage durchgängig getan.In the 3rd generation, the length changes in per mille shown by the computer are continuously compared with the entered correction value and the difference signals + or - target correction are used to automatically control the power density / cm 2 workpiece surface, primarily by changing the hardening speed as the main influencing parameter. This means that the step towards a computer-controlled hardening system has been taken throughout.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen For this purpose 2 sheets of drawings
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