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Vorrichtuna zum Glattwalzen einer zylindrischen
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Werk stückfläche Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Glattwalzen
einer zylindrischen Werkstückfläche mit einem Glattwalzwerkzeug, das einen hohlen
Kegel und einen zum Kegel koaxialen und axial relativ diesem verschiebbaren Käfig
mit in den Käfig schlitzen radial verschiebbar und auf der der zylindrischen Werkstückfläche
zugekehrten kegeligen Fläche des Kegels abwälzbar gelagerten konischen Walzrollen
aufweist, wobei die Wandstärke des Kegels dem Walzdruck weitgehend standhält, mit
einer Antriebseinrichtung, die eine relative Drehung und Axialverschiebung von Kegel
und Werkstück bewirkt, und mit einer Kegel und Käfig axial relativ zueinander verschiebenden
Stelleinrichtung.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-PS 23 02 927) enthält
die Stelleinrichtung eine einem Schaft des Kegels verstellbare Einstellmutter, die
über eine Rutschkupplung mit dem Käfig gekuppelt ist. Der Steigungssinn der Gewindeverbindung
von Mutter und Schaft ist entgegengesetzt zum Relativdrehsinn von Glattwalzwerkzeug
und Werkstück gewählt. Die Rutschkupplung ist so ausgelegt, daß sie durchrutscht,
sobald sich der gewünschte Glattwalzdruck ausgebildet hat. Das Werkzeug stellt sich
dabei selbsttätig auf den Anfangsdurchmesser der zu bearbeitenden -Werkstückfläche
ein und behält diese Anfangseinstellung bei. Es kann daher unabhängig vom Jeweiligen
Durchmesser der glattzuwalzenden Werkstückfläche mit dem optimalen Walzdruck arbeiten,
Jedoch nur, solange sich der Vorbearbeitungsdurchmesser der zu bearbeitenden Werkstllckfläche
über die axiale Länge der Werkstückfläche nicht ändert. Da eine Rutschkupplung ferner
einem verhältnismäßig hohen Verschleiß unterliegt, bedarf sie einer häufigen Erneuerung
ihrer Ru# schbeläge.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen
Art anzugeben, bei der der Glattwalzdruck auf einfachere und zuverlässigere Weise
einen einstellbaren Wert unabhängig von Änderungen des Durchmessers der glattzuwalzenden
Werkstückfläche beibehält.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kegel auch
zum Glattwalzen einer Werkstück-Innenfläche hohl ist und die Bemessung der Wandstärke
des Kegels eine Verformung der Wand durch den Walzdruck bis etwas über die der zylindrischen
Werkstückfläche abgekehrten Kegelseite hinaus zuläßt, daß an dieser Kegelseite ein
Verformungsfuhler angeordnet ist, dessen Ausgangsgröße dem einen Eingang eines am
anderen Eingang mit einem einstellbaren Sollwert beaufschlagten Vergleichers zugeführt
ist, und daß die relative Axialverschiebung von Kegel und Käfig durch die Stelleinrichtung
in Abhängigkeit vom Vergleicherausgangssignal bis zu einem Abgleich von Verformungsfühler-Ausgangsgröße
und Sollwert selbsttätig durchführbar ist, Bei dieser Ausbildung wird der Glattwalzdruck
selbsttätig gemessen und selbsttätig auf den eingestellten Sollwert konstant geregelt.
Das Walzergebnis ist daher weitgehend unabhängig von Durchmesseränderungen und/oder
Verschleißerscheinungen. Der Aufbau ist vergleichsweise einfach, da weitgehend handelsübliche
Elemente verwendet werden können.
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Günstig ist es, wenn die Antriebseinrichtung einen am Werkstück angreifenden
Drehantrieb aufweist und der drehfest gehaltene Kegel auch zum Glattwalzen einer
Werkstück-Innenfläche auf seiner vor der Zusammenführung von Werkstück und Werkzeug
dem Werkstück abgekehrten Seite durchbohrt ist. Hierbei kann die Meßgröße des Verformungsfühlers
auf einfache Weise über eine durch die Kegelbohrung herausgeführte Leitung abgenommen
werden, weil sich der Kegel nicht dreht und mithin die Leitung nicht verdreht wird.
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Der Verformungsfühler kann in einfacher Ausgestaltung eine Druckmeßdose
aufweisen. Hierbei handelt es sich um ein besonders kompaktes Bauelement, das leicht
an der den Glattwalzrollen abgekehrten Seite des Kegels angebracht werden kann.
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Vorzugsweise weist der Verformungsfühler einen Dehnungsmeßstreifen
auf. Dieser ist besonders empfindlich auf kleinste Verformungs- bzw. Druckänderungen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend
anhand der schematischen Zeichnung näher beschrieben.
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Darin ist Fig. 1 ein Längsschnitt durch den mechanischen Teil der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Werkzeug mit einem Werkstück in Eingriff
steht, und Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Walzdruck-Regelkreises in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besitzt ein Glattwalzwerkzeug
3 zum Glattwalzen der zylindrischen Innenfläche 4 eines hohlzylindrischen Werkstücks
5. Das Glattwalzwerkzeug 3 hat einen Kegel 6 mit kegeliger Fläche 7 auf der Außenseite.
In axialen Schlitzen 8 eines Käfigs 9 sind kegelige Glattwalzrollen 10 drehbar und
radial verschiebbar gelagert. Die Glattwalzrollen 10 liegen auf der kegeligen Fläche
7 so auf, daß die Hüllfläche der Glattwalzrollen 10 zylindrisch ist. Der Käfig 9
ist mittels eines Radial-Kugellagers 11 in einem Schlitten 12 drehbar gelagert,
der auf Fiihrungsschienen 13 mittels einer schematisch als Doppelpfeil 14 dargestellten
Antriebseinrichtung verschiebbar ist.
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Das Werkstück 5 wird von einer schematisch als Pfeil 15 dargestellten
Antriebselnrichtung gedreht, die außerdem anstelle der Antriebsvorrichtung 14 für
eine Axialverschiebung des
Werkstücks 5 sorgen kann, wie es durch
den Doppelpfeil 16 angedeutet ist. Durch die Verschiebung des Schlittens 12 oder
des Werkstücks 5 wird eine axiale Relativverschiebung von Werkstück 5 und Käfig
9 mit den Walzrollen 10 bewirkt, während die Antriebsvorrichtung 15 für die relative
Verdrehung von Werkstück 5 und Werkzeug 3 sorgt, wobei der Kegel 6 in nicht dargestellter
Weise drehfest gehalten wird, so daß sich die Walzrollen 10 an der Innenfläche 4
des Werkstücks 5 und auf der kegeligen Fläche 7 des Kegels 6 abwälzen, um die Innenfläche
4 des Werkstücks 5 glatt zu walzen.
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Der Kegel 6 ist ferner an seiner vor dem Eingriff von Werkzeug und
Werkstück vom Werkstück abgekehrten Seite mit einem Schaft 17 versehen, der zugleich
die Kolbenstange eines Kolbens 18 in einem Zylinder 19 bildet. Der Druck eines Druckfluids,
hier Öl, das der Zylinderkammer 20 über einen Anschluß 21 zugeführt wird, bestimmt
zusammen mit dem Gegendruck eines der Zylinderkammer 22 über einen Anschluß 23 zugeführten
Druckfluids die axiale Lage des Kegels 6 relativ zum Werkstück 5 und damit die radiale
Lage der Walzrollen 10 und den von diesen auf die Werkstück-Innenfläche 4 ausgeübten
Walzdruck.
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In einer koaxialen Bohrung des Kegels 6 ist ein Verformungsfühler
24 so angeordnet, daß er an der Innenseite 25 des Kegels 6 anliegt. Die Wandstärke
des Kegels 6 ist so bemessen, daß sie dem Walzdruck im wesentlichen standhält, aber
dennoch eine Verformung der Wand bis zur Innenseite 25 zuläßt, so daß während des
Betriebs der Walzdruck durch die Kegelwand hindurch mittels des Verformungsfühlers
24 gemessen werden kann. Zu diesem Zweck kann der Verformungsfühler 24 eine Druck-
oder Kraftmeßdose, vorzugsweise mit einem Dehnungsmeßstreifen, aufweisen, in den
ein Widerßtandadraht, Metallfilm, Halbleiter, piezoelektrischer, magnetoelastischer
oder
induktiver Widerstand eingebettet ist, dessen Widerstandswert dehnungs- bzw. druckabhängig
ist. Die auftretende Widerstandsänderung stellt dann ein Maß für den ausgebildeten
Walzdruck dar und kann in einer Meßbrücke gemessen werden.
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In dieser kann gleichzeitig eine Temperaturkompensation temperaturabhängiger
Verformungen des Kegels mittels eines temperaturabhängigen Widerstands erfolgen.
Die Meßgröße wird über eine Leitung 26 herausgeführt, die durch eine koaxiale Bohrung
27 in der Seite 45 des Kegels 6 und des Schafts 17 verlegt ist, und steuert den
auf den Kolben 18 wirkenden Druck so, daß die Lage des Kolbens bzw. Kegels 6 stets
einem Sollwert des Walzdrucks entspricht.
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Eine zur Regelung des Walzdrucks in Abhängigkeit vom gemessenen Walzdruck
geeignete Einrichtung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Danach schließt sich
an die Leitung 26 ein Verstärker 28 an. Das Ausgangssignal des Verstärkers 28 wird
dem einen Eingang eines elektrischen Vergleichen 29 zugeführt. Bei dem Vergleicher
29 kann es sich um einen Differenzverstärker hoher Verstärkung mit negativer Rückführung
(Gegenkopplung) handeln, wobei die Rückführung eine Einstellung des Regelverhaltens
der Regeleinrichtung gestattet. Dem zweiten Eingang des Vergleichers 29 wird von
einem Walzdruck-Sollwertgeber 30 ein Walzdruck-Sollwert zugeführt.
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Das Vergleicherausgangssignal wird einer Stelleinrichtung zugeführt,
die einen Leistungsverstärker 31, ein steuerbares magnetisches Druckminderungsventil
32, die Kolben-Zylinder-Anordnung 18, 19, ein einstellbares Druckminderungsventil
33 und zwei Druckfluid-Puipen 34, 35 aufweist. Dabei sind der Ausgang des Vergleichers
29 über den Leistungsverstärker 31 mit dem Steuereingang des Druckminderventils
32, der Ausgang der Pumpe 34 mit dem Eingang des Druckminderventils 32 und der Zylinderkammer
22, der Ausgang der Pumpe 35 mit dem Eingang des Druckminderventils 33 und der Zylinderkammer
20 und die Ausgänge der Drucksinderventile 32, 33 mit einem Druckfluidbehälter 36
verbunden.
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Die von den Pumpen 34, 35 maximal abgebbaren Drücke seien etwa gleich
und so bemessen, daß die Pumpe 35 bestrebt ist, mindestens einen so hohen Druck
auszubilden, wie er am Druckminderventil 33 einstellbar ist, so daß der Druck in
der Zuleitung zur Zylinderkammer 20 stets auf den am Druckminderventil 33 eingestellten
Wert begrenzt und konstant gehalten wird, wobei dieser Druck niedriger als der Maximaldruck
der Pumpen im unbelasteten Zustand ist. Der gleiche geminderte Druck ist dann auch
in der Zylinderkammer 20 wirksam. Er bestimmt daher den gewünschten Walzdruck, der
über den Kolben 18, den Kegel 6 und die Walzrollen 10 auf die Innenfläche 4 des
Werkstücks 5 ausgeübt wird. Dabei wird am Sollwertgeber 30 und am Druckminderventil
33 der gleiche Walzdruck eingestellt. Ferner sind der Vergleicher 29 und/oder der
Verstärker 31 so ausgebildet, daß schon das geringste positive oder negative Ausgangssignal
des Vergleichers 29 ausreicht, das Druckminderventil 32 vollständig zu schliessen
oder vollständig zu öffnen.
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Wenn daher die dem Vergleicher 29 zugeführte Druckmeßgröße den am
Sollwertgeber 30 eingestellten Sollwert überschreitet, z.B. weil sich der Innendurchmesser
des Rohres im Verlauf des Vorschubs des Werkstücks 5 oder des Schlittens 12 geringfügig
aufgrund von Herstellungstoleranzen verringert, dann bewirkt das daraufhin auftretende
(positive) Ausgangssignal des Vergleichers 29, daß das Druckminderventil 32 vollständig
geschlossen wird. Die Folge ist, daß der Druck in der Zylinderkalier 22 sehr rasch
bis auf den Maximaldruck der Pumpe 34 ansteigt und den am Druckminderventil 33 eingestellten
Sollwert überschreitet. Dadurch wird der Kolben 18 und damit der Kegel 6 relativ
zum Werkstück nach rechts in Fig. 1 verschoben, so daß der Walzdruck und damit die
Druckmeßgröße unter den am Sollwertgeber 30 eingestellten Wert abliest. Gleichzeitig
wird das Druckminderventil 32 sofort wieder vollständig geöffnet und der Druck in
der Zylinderkammer 22 über das Druckainderventil 32 vollständig abgebaut,
so
daß wieder allein der Druck in der Zylinderkammer 20 den Walzdruck bestimmt.
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Wenn dagegen der Walzdruck weiter unter den vom Sollwertgeber 30 vorgegebenen
Sollwert abnimmt, z.B. weil der Innendurchmesser des Werkstticks 5 im Verlaufe der
axialen Relativbewegung von Werkstück und Werkzeug zunimmt, bleibt zwar das Druckminderventil
32 geöffnet, doch verstellt der in der Zylinderkammer 20 herrschende Druck den Kegel
6 dann solange weiter nach links in Fig. 1 und 2, bis die Walzrollen 10 wieder mit
dem am Druckminderventil 33 eingestellten Druck an der glattzuwalzenden Werkstück-Innenfläche
4 anliegen.
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Auf diese Weise wird der Istwert des Walzdrucks selbsttätig auf dem
eingestellten Sollwert konstant gehalten.
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Abwandlungen vom dargestellten Äusfünrungsbeispiel liegen im Rahmen
der Erfindung. So kann anstelle der Pumpe 34 und des Druckminderventils 32 ein magnetisches
Umschaltventil benutzt werden, das den Ausgang der Pumpe 34 bzw. den vingang des
Druckminderventils 33, gesteuert durch das Ausgangssignal des Vergleichers 29, mit
der Zylinderkammer 20 oder der Zylinderkammer 22 verbindet, z.B. bei positivem Ausgangs
signal des Vergleichers 29 mit der Zylinderkammer 22 und bei negativem oder abgeglichenem
(Null-) Ausgangssignal mit der Zylinderkammer 20.
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Außerdem ist es möglich, anstelle der dargestellten Stelleinrichtung
18, 19, 31 - 35 eine Stelleinrichtung zu benutzen, die das Au#gangst.'ignal des
Vergleichers 29 in eine proportionale Anzahl negativer oder positiver Impulse umsetzt
und diese einem Schrittmotor zuführt, der die axiale Verstellung des Kegels 6 über
eine Leitspindel oder Ritzel und Zahnstange bewirkt und in der Ruhestellung, wenn
daa
Ausgangssignal des Vergleichers 29 null ist, eine Lage einnimmt,
die dem vom Sollwertgeber 30 vorgegebenen Walzdruck-Sollwert entspricht.
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Ferner kann der Kegel 6 auch innen konisch sein, so daß die Innenfläche
25 und die Außenfläche 7 parallel sind.
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Statt das Werkstück 5 mit einem Drehantrieb 15 zu kuppeln, kann auch
der Kegel 6 mit einem Drehantrieb kuppelbar sein.
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In diesem Falle kann das Meßsignal des Fühlers 24, um eine Verdrehung
der Leitung 26 zu vermeiden, über Schleifkontakte oder kontaktlos, z0B. über optische,
elektromagnetische oder akustische Wellen, in die Regeleinrichtung übertragen werden.
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Auf die gleiche Weise kann auch die Stromversorgung des FUhlers 24
erfolgen.
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Sodann kann das gleiche Walzdruck-Regelprinzip bei einem Außen-Glattwalzwerkzeug,
d.h. bei einem Werkzeug der gattungsgemäßen Art zum Glattwalzen von Werkstück-Außenflächen,
angewandt werden. Bei einem derartigen Werkzeug übergreift der Kegel das Werkstück,
d.h. er ist von vornherein hohl, und die Walzrollen sind in einem Käfig zwischen
Kegel und Werkstück gelagert. In diesem Falle ist der Verformungsfühler so ausgebildet
und angeordnet, daß er den Kegel außen umgibt.
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