DE3438248C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Kugelumlaufelemente mit einer äußeren Umlaufbahn für eine Kugel und dgl., und zwar insbesondere auf ein vereinfachtes und kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung eines Schraubgewindes zur Führung einer Kugel und entsprechende En­ den bzw. Endenbearbeitungen an einem Werkstück zur Herstel­ lung einer Kugelumlaufspindel.

Mit einer umlaufenden Kugel arbeitende Schraubtriebe sind heute für eine Vielzahl von Vorrichtungen im Einsatz. Im we­ sentlichen besteht ein solcher Schraubtrieb aus einem Kugel­ umlaufelement, im folgenden stets als Kugelumlaufspindel be­ zeichnet, die eine äußere spiralförmig verlaufende Nut bzw. Schraubgewinde zur Aufnahme einer Kugel besitzt. Ferner weist ein solcher Schraubtrieb eine Mutter mit einem inneren Schraubgewinde auf. Die Mutter ist auf der Kugelumlaufspindel angeordnet und eine Anzahl von Lagerkugeln sind teilweise in­ nerhalb der Nut des äußeren Schraubgewindes und der des inne­ ren Schraubgewindes angeordnet. Die Kugelumlaufspindel kann eine Anzahl von Enden bzw. Endenbearbeitungen umfassen, wie beispielsweise einen Stirnzapfen, eine Querbohrung und ein Schraubgewinde, um die Kugelumlaufspindel an anderen Maschi­ nenelementen positionieren und die Spindel mit anderen Ma­ schinenelementen zu verbinden. Wegen ihrer Eigenschaften mit Hinsicht auf ein gutes Lastaufnahmevermögen sowohl längs wie auch quer zur Kugelumlaufspindel, einen geringen Reibwider­ stand für die Verschiebung der Kugelumlaufspindel relativ zum Mutterschloß, genaue Translationspositionierung der Kugelum­ laufspindel relativ zum Mutterschloß sowie genaue axiale Positionierung der Kugelumlaufspindel gegenüber dem Mutter­ schloß, wenn die Elemente relativ in Längsrichtung verschoben werden, werden derartige Schraubspindeltriebe häufig verwen­ det. Somit werden solche Schraubspindeltriebe häufig in Maschineneinheiten eingesetzt, wo eine genaue Positionierung in Translationsrichtung zwischen verschiedenen Maschinenele­ menten erforderlich ist, und zwar insbesondere beim Auftreten extremer Lasten. Es sind eine Vielzahl von Vorrichtungen be­ kannt, bei denen Schraubspindeltriebe eingesetzt werden.

Aus der Veröffentlichung Settner J.: Kugelschraubtrieb, in: Der Maschinenbau, 1962/12 S. 519-524 ist eine Fertigungsbe­ schreibung für Kugelspindeln bekannt, bei welcher nach dem Vordrehen der Kugelspindel in ein zylindrisches Werkstück, einer anschließenden Wärmebehandlung und Spannungsfreiglühen sowie Richten und Sandstrahlen des vorgedrehten Werkstücks der Außendurchmesser rund geschliffen wird. Dieses Rund­ schleifen des Außendurchmessers erfolgt, da beim anschließen­ den Fräsen der Kugellaufrillen die Führung der Kugelspindel in einer Büchse, die sich in einem mitlaufenden Setzstock be­ findet, erfolgt, weshalb das Führungsteil zylindrisch sein muß. Anschließend wird das gefräste Werkstück einer Wärmebe­ handlung unterzogen und einsatzgehärtet. Für die Wärmebehand­ lung und die Einsatzhärtung werden Verfahren wie Pulverauf­ kohlung, Gasaufkohlung, Badnitrieren und dgl. vorgeschlagen.

Weiterhin ist ein anschließendes Nachschleifen der Laufrillen vorgesehen. Somit können eine Reihe von Bearbeitungsschrit­ ten, wie das o.g. Nachschleifen der Laufrillen und so weiter als bekannt vorausgesetzt werden. Das Problem der koaxialen und zylindrischen Ausbildung der Kugelspindelenden wird in dieser o.g. Druckschrift nicht berücksichtigt.

Bislang sind zwei Verfahren zur Herstellung von äußeren Schraubgewinden auf Kugelumlaufspindeln solcher Schraubspin­ deltriebe bekannt. Die beiden Verfahren unterscheiden sich im wesentlichen in ihren Kosten und in der unterschiedlichen Ge­ nauigkeit des äußeren Schraubgewindes derartiger Kugelumlauf­ spindeln.

Bei allgemein bekannten Herstellverfahren, nach dem Ku­ gelumlaufspindeln mit begrenzter Präzision hergestellt wer­ den, wie sie für vielfältigste Einsatzfälle genügt, wird ein Roll- oder Wälzvorgang auf der äußeren Zylinderfläche eines Werkstücks durchgeführt, um ein äußeres Schraubgewinde auf der zylindrischen Oberfläche des Werkstücks zu erzielen. Das äußere Schraubgewinde für den Kugelumlauf, welches durch den Roll- bzw. Wälzvorgang erzeugt wird, führt zu einer unregel­ mäßigen Oberfläche, welche nur von geringem Wert für die Aus­ richtung bzw. Einstellung der Enden bzw. Endenbearbeitungen für die weiteren Arbeitsvorgänge ist. Somit müssen alle wei­ teren Vorgänge an den Enden bzw. Endenbearbeitungen der nach diesem Herstellverfahren hergestellten Kugelumlaufspindeln relativ zum Flankendurchmesser (pitch diameter) des äußeren Schraubgewindes ausgerichtet bzw. eingestellt (located) wer­ den. Zwar ist das Wälz- bzw. Rollverfahren kostengünstig, je­ doch ist das dabei entstehende äußere Schraubgewinde nicht sehr präzise. Vielmehr ist das nach diesem Verfahren herge­ stellte Gewinde von mäßiger Präzision aufgrund der Schwierig­ keit, die Geradlinigkeit und Steigungsgenauigkeit während ei­ nes Roll- bzw. Wälzvorgangs aufrechtzuerhalten. Die Einstel­ lung und damit die Anordnung der Enden bzw. Endenbearbeitung bezogen auf das äußere Schraubgewinde ist von mäßiger Präzi­ sion, was aufgrund von Schwierigkeiten herrührt, die sich bei der Winkelanordnung aufgrund des Steigungswinkels ergeben, oder aufgrund von Paßstiften, welche zur Festlegung bzw. Ein­ stellung der Enden bzw. Endenbearbeitungen relativ zum Flan­ kendurchmesser des äußeren Schraubgewindes verwendet werden.

Ferner erhöht das Verfahren zur Positionierung der Enden bzw. Endenbearbeitungen unter Verwendung von Paßstiften die Schwierigkeit zur Herstellung derartiger Enden bzw. Endenbe­ arbeitungen (im folgenden kurz mit Endteilen bezeichnet). Das zweite Verfahren wird hingegen zur Herstellung von Hochpräzi­ sions-Kugelumlaufspindeln verwendet. Nach diesem zweiten Ver­ fahren wird ein Roll- bzw. Wälzvorgang auf der Zylinderfläche der Kugelumlaufspindel vorgenommen, um das äußere Schraubge­ winde herzustellen. Wird dann der Stirnzapfen oder ein an­ deres Endteil mittels einer geeigneten Einrichtung herge­ stellt, erfolgt dann eine Wärmebehandlung des Werkstücks und dann ein Nachschleifen des äußeren Schraubgewindes, um ge­ nauere Abmessungen in Relation zum Stirnzapfen oder eines an­ deren Endteiles der Kugelumlaufspindel zu erhalten. Obgleich sich damit eine Spindel mit präziseren Abmessungen erzielen läßt als nach dem vorbeschriebenen ersten Verfahren, ist die­ ses zweite Verfahren wesentlich teurer als das erste Herstel­ lungsverfahren.

Es besteht somit ein Bedürfnis nach einem Verfahren zur Her­ stellung von Kugelumlaufspindeln, welches die Schwierigkeiten bei dem ersten Herstellungsverfahren vermeidet, was die An­ ordnung bzw. Einstellung der Enden bzw. Endenbearbeitungen der Kugelumlaufspindel relativ zum äußeren Schraubgewinde be­ trifft. Dieses neue Verfahren sollte vorzugsweise leichter durchzuführen und zu automatisieren sein und dennoch zu einer Kugelumlaufspindel mit größerer Genauigkeit als eine nach dem ersten Verfahren hergestellte Spindel führen. Für viele Ein­ satzfälle ist eine Kugelumlaufspindel erforderlich, die eine Genauigkeit zwischen der nach dem ersten Verfahren erzielba­ ren und der nach dem zweiten Verfahren erzielbaren Genauig­ keit besitzt.

Aufgabe der Erfindung ist es somit ein kostengünstigeres Verfahren zur Herstellung eines äußeren Schraubgewindes einer Kugelumlaufspindel zu schaffen, mit welchem ein Schraubge­ winde mit einer Genauigkeit zwischen den oben beschriebenen Verfahren bei einem Kostenaufwand erzielbar ist, der wesent­ lich geringer als der bei der Herstellung eines äußeren Schraubgewindes nach dem zweiten vorbeschriebenen Verfahren ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Dabei wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem er­ sten Bearbeitungsvorgang, welcher die maschinelle Einarbei­ tung eines äußeren Schraubgewindes in der zylindrischen Außenfläche betrifft und wobei das äußere Schraubgewinde wäh­ rend des ersten Bearbeitungsvorgangs relativ zur zylindri­ schen Außenfläche eingestellt bzw. ausgerichtet (located) ist, bei allen weiteren Bearbeitungsschritten von der Schul­ terfläche als Maßbasis ausgegangen. Der anschließende zweite Bearbeitungsvorgang betrifft die maschinelle Herstellung ei­ nes Stirnzapfens oder einer anderen Endenbearbeitung am er­ sten Ende des Werkstücks.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Werkstück zwischen dem ersten und dem zweiten Bearbeitungsvorgang einer Induktionshärtung unterzogen. Bei Bedarf kann die schrauben­ förmige Schulterfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Bearbeitungsvorgang spitzenlos geschliffen werden (centerless ground).

Nach Maßgabe der Erfindung ist es möglich, ein äußeres Schraubgewinde mit einer Genauigkeit in kostengünstiger Weise herzustellen, die zwischen den oben beschriebenen bekannten Herstellverfahren liegt. Dabei werden Schwierigkeiten vermie­ den, die auf den Einsatz von Paßstiften bei dem ersten Ver­ fahren beruhen, und wird ein aufwendiges Nachschleifen nach dem zweiten Verfahren vermieden.

Es wird also eine Kugelumlaufspindel mit einer größeren Ge­ nauigkeit als nach dem ersten Verfahren möglich erzielt, wo­ bei der Einsatz von Paßstiften und auch das nach dem zweiten Verfahren benötigte Nachschleifen entfallen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte Teilansicht einer Kugelumlauf­ spindel nach der Erfindung, sowie Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Kugelumlaufspindel gemäß der Erfindung.

Mit dem im folgenden erläuterten Verfahren zur Herstellung eines äußeren Schraubgewindes auf einer Kugelumlaufspindel wird eine Kugelumlaufspindel 112 gemäß den Fig. 1 und 2 aus einem Werkstück hergestellt. Gemäß Fig. 2 besitzt die Kugelumlaufspindel 112 ein erstes Ende 114 sowie ein zweites nicht dargestelltes Ende. Eine Längsachse 116 erstreckt sich vom ersten Ende 114 zum zweiten Ende der Spindel. Bestimmte Endteile sind am ersten Ende 114 der Kugelumlaufspindel vor­ gesehen, wie etwa ein Stirnzapfen 118 mit einer zylindrischen Zapfenfläche 120, einer ersten Stirnfläche 122 und einer Querbohrung oder Queröffnung 124.

Die Kugelumlaufspindel 112 ist ferner mit einem vergrößerten oder verdickten zylindrischen Abschnitt 126 zur Bildung eines äußeren Schraubgewindes 128 für eine Kugel mit mindestens ei­ ner schraubenförmigen Nut 130 und einer schraubenförmigen Schulter 132 versehen. Schließlich ist zwischen dem verdick­ ten Zylinderabschnitt 126 und der zylindrischen Zapfenfläche 120 eine ebene, radial verlaufende Schulter 134 vorgesehen.

Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird die lediglich schematisch dargestellte ursprüngliche Zylinderfläche 142 des verdickten Zylinderabschnitts 126 der Kugelumlaufspindel auf eine vorbestimmte Toleranz durch eine spitzenlose Schleifma­ schine bearbeitet, um eine neue Zylinderfläche 144 zu erzeu­ gen. Danach werden ein oder mehrere schraubenförmige Nuten 130 in die neue Zylinderfläche 144 eingearbeitet. Der Bear­ beitungsvorgang für die Erzeugung der schraubenförmigen Nut 130 wird relativ zur neuen Zylinderfläche 144 eingestellt.

Hierbei ist festzuhalten, daß dann, wenn die schraubenförmige Nut 130 bearbeitet wird, die hierzu benachbarte schraubenför­ mige Schulter 132 im wesentlichen durch den Bearbeitungsvor­ gang unbeeinflußt bleibt. Somit wird die schraubenförmige Schulter 132 eine schraubenförmige Schulterfläche definieren, die im wesentlichen identisch mit der oben beschriebenen neuen Zylinderfläche 144 ist. Die schraubenförmige Nut 130 liegt dann genau innerhalb von drei Tausendstel eines Zolls (0,003 Zoll/pro 0,305 m linear gemessen, Umrechnung von foot auf m). Hierbei ist festzuhalten, daß dieser Toleranzaufbau von einer Zwischengröße zwischen den durch die zwei bekannten Verfahren zur Herstellung einer schraubenförmigen Nut 130 ei­ ner Kugelumlaufspindel gegebenen Größe ist. In der Praxis reicht dieser zwischenliegende Toleranzaufbau für viele An­ wendungsfälle aus.

Somit kann die schraubenförmige Schulterfläche 144 nach der maschinellen Bearbeitung der Nut 130 für die genaue Einstel­ lung der Bearbeitungswerkzeuge für die maschinelle Endbear­ beitung der Endteile bzw. Endenbearbeitungen der Kugelumlauf­ spindel 112 oder zur Einstellung des Schraubgewindes für eine eventuelle Nachbearbeitung verwendet werden. Falls bei der maschinellen Bearbeitung zur Herstellung der schraubenförmi­ gen Nut 130 Fehler in der Schulterfläche 144 auftreten, kann die Schulterfläche 144 einem zweiten Schleifvorgang (spitzen­ lose Schleifmaschine) bei Bedarf unterzogen werden, so daß die Schulterfläche in sicherer Weise zur Einstellung der En­ denbearbeitungen relativ zur Kugelumlaufspindel 112 verwendet werden kann.

Das Werkstück, aus welchem die Kugelumlaufspindel 112 herge­ stellt wird, wird vorzugsweise induktionsgehärtet, nachdem die Nut 130 hergestellt worden ist. Bei Bedarf kann der End­ zapfen 118 gleichzeitig einer Induktionshärtung unterzogen werden.

Schließlich können die Endbearbeitung auf den verschiedenen Endteilen der Kugelumlaufspindel 112 vorgenommen werden. Die für diese Schlußbearbeitung der Endteile bzw. Endenbearbei­ tungen der Kugelumlaufspindel 12 verwendeten Werkzeuge werden genau zur schraubenförmigen Schulterfläche 144 eingestellt. Die Endteile können die Bearbeitung der zylindrischen Zapfen­ fläche 120 zur Verringerung des Toleranzaufbaus zwischen der zylindrischen Zapfenfläche und dem äußeren Schraubgewinde 128 beinhalten.

Weitere Bearbeitungsvorgänge, die auf die Endenbearbeitungen bzw. Endteile der Kugelumlaufspindel 112 relativ zur schrau­ benförmigen Schulterfläche 146 oder die neue schraubenförmige Schulterfläche 148 anwendbar sind, sind etwa das Bohren einer Querbohrung 124 und Planschleifen der ersten Stirnfläche 122 und der ebenen Radialschulter 134. Selbstverständlich können auch verschiedene andere maschinelle Bearbeitungsvorgänge an anderen geeigneten Endteilen der Kugelumlaufspindel 112 zur selben Zeit vorgenommen werden.

Ersichtlich können diese Endbearbeitungen bezogen auf die schraubenförmige Schulterfläche 144 leichter durchgeführt werden als es bei Verwendung von Einstell- bzw. Ausrichtstif­ ten oder bei einem Nachschleifen der Fall ist. Ferner ist dieses Verfahren auch einfacher automatisierbar. Gleichwohl führt dieses Verfahren zu einer Kugelumlaufspindel 112 mit einem Toleranzaufbau zwischen der schraubenförmigen Nut 130 und den verschiedenen Endteilen der Kugelumlaufspindel der zwischen den der oben beschriebenen bekannten Verfahren liegt. Dennoch läßt sich dieses Verfahren kostengünstiger an einem Werkstück ausführen als die bekannten Verfahren. Für Anwendungsfälle, bei denen eine Toleranz im Bereich von eini­ gen Tausendstel eines Zolls annehmbar ist, ist das beschrie­ bene Verfahren im Sinne von Kosteneinsparungen außerordent­ lich vorteilhaft. Ferner läßt sich mit diesem Verfahren eine Kugelumlaufspindel 112 erzielen, welche eine wesentlich ver­ besserte Positioniergenauigkeit, Geradlinigkeit, Konzentrizi­ tät und Übereinstimmung des Außendurchmessers als eine Kugel­ umlaufspindel 12, die nach dem bekannten Stand der Technik durch einen Walzvorgang alleine ohne nachfolgende maschinelle Bearbeitung hergestellt worden ist.

Da ferner die schraubenförmige Schulterfläche 144, die mit dem vorliegenden Verfahren erzeugt wird, im wesentlichen ge­ radlinig und rund ist, kann diese bei Bedarf enger an die Ab­ messungen der schraubenförmigen Schulter 43 gemäß Fig. 1 des inneren Schraubengewindes des Mutterschlosses 36 angepaßt sein, welche in Verbindung mit einer Kugelumlaufspindel 112 nach Fig. 1 verwendet wird.

Schließlich kann aus der oben beschriebenen Kugelumlaufspin­ del 112 eine Kugelumlaufspindel mit erhöhter Präzision herge­ stellt werden, indem die schraubenförmige Nut 130 auf eine höhere Genauigkeit nachgeschliffen wird. Dieser Nachschleif­ vorgang kann bezogen auf die schraubenförmige Schulterfläche 144 eingestellt sein, woraus dann eine Kugelumlaufspindel mit großer Genauigkeit resultiert.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung einer Kugelumlaufspindel aus einem Werkstück mit einem eine zylindrische Außenfläche aufweisenden zylindrischen Bereich zwischen den beiden Werkstückenden, wobei in einem ersten Bearbeitungs­ schritt ein Schraubgewinde mit einer schraubenförmigen Nut mit Teilkreisquerschnitt und einer angrenzenden schraubenförmigen Schulterfläche maßlich ausgehend von der zylindrischen Außenfläche hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei allen weiteren Bearbeitungs­ schritten von der Schulterfläche (132) als Maßbasis ausgegangen wird, und daß anschließend in einem zweiten Bearbeitungsschritt zumindest ein Werkstückende (114) maschinell bearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten und zweiten Bearbeitungsschritt der zylindrische Bereich (126) des Werkstücks einer Induk­ tionshärtung unterzogen wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten und zwei­ ten Bearbeitungsschritt die schraubenförmige Schulter­ fläche (132) des Schraubengewindes (128) spitzenlos ge­ schliffen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Bearbeitungsschritt die ma­ schinelle Bearbeitung einer Stirnfläche (122) an wenig­ stens einem der Werkstückenden (114) umfaßt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß nach dem zweiten Bearbei­ tungsschritt der zylindrische Bereich (126) und das Werkstückende einer Induktionshärtung unterzogen wer­ den.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nach dem ersten Bearbeitungsschritt eine Halterungs- oder Befestigungseinrichtung an dem Werkstück benachbart einem der beiden Werkstückenden (114) ausgebildet wird.