DE3533082A1

DE3533082A1 - Verfahren und vorrichtung zur feinbearbeitung rotationssymmetrischer werkstuecke

Info

Publication number: DE3533082A1
Application number: DE19853533082
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Supfina Maschinenfabrik Hentzen GmbH and Co KG
Current assignee: Supfina Maschinenfabrik Hentzen GmbH and Co KG
Priority date: 1985-09-17
Filing date: 1985-09-17
Publication date: 1987-03-26
Also published as: JPS6268269A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung rotationssymmetrischer Werkstücke, die in einer Antriebseinrichtung aufgenommen und in Drehung versetzt werden, bei dem ein Honstein, der eine kurzhubige hochfrequente Schwingung ausführt, an die zu bearbeitenden Flächen angepreßt und dabei auf das Werkstück zugestellt wird.

Derartige Verfahren zur Feinbearbeitung rotationssymmetrischer Werkstücke sind bekannt. Es handelt sich dabei um das sog. Kurzhubhonen, Feinziehschleifen oder Superfinishen (vgl. Fachberichte für Oberflächentechnik 10 (1972), Heft 8, S. 268 bis 272; VDI-Zeitschrift Bd. 109 (1967), Nr. 26, S. 1247 bis 1251). Dabei sitzt der Honstein mit einem bestimmten Anpreßdruck auf der zu bearbeitenden Fläche des Werkstücks auf. Dies führt zu einem bestimmten Werkstückabtrag bei gleichzeitiger Glättung. Der erzielte Werkstoffabtrag ist dabei von verschiedenen Parametern, darunter auch vom Anpreßdruck abhängig (vgl. Degner/Böttger, Handbuch der Feinbearbeitung, Carl Hanser Verlag, München Wien 1979, S. 143 (Bild 2.150) und S. 164 (Bild 2.165)). In Abhängigkeit vom Anpreßdruck ergeben sich folgende Verhaltensweisen:

(a) Bei nur geringem Anpreßdruck (z. B. geringer als 40 N/cm²) ist der Werkstoffabtrag ebenfalls relativ gering. Es erfolgt im wesentlichen nur eine Glättung der Oberfläche des Werkstückes. Nach Erreichen dieser Glättung kommt es zu dem sog. "Ausklinkeffekt". Die glatte Oberfläche des Werkstückes ist nicht mehr in der Lage, stumpfgewordenes Korn aus dem Steingefüge herauszureißen und eine griffige Arbeitsfläche des Steines zu erhalten. Ein sich bildender Spülmittelfilm zwischen Stein und Werkstück begünstigt diesen Vorgang. Dabei bildet sich zwischen Honstein und Werkstück eine Ölschicht des verwendeten Kühlschmiermittels, die Honstein und Werkstück praktisch voneinander "trennt", so daß nach Erreichen dieses Zustandes eine weitere Verbesserung der Oberfläche und/oder ein weiterer Werkstoffabtrag am Werkstück nicht mehr erzielbar ist.
(b) Wird der Anpreßdruck wesentlich erhöht (z. B. höher als 200 N/cm²), so wird zwar ein kontinuierlicher Eingriff des Honsteins mit dem Werkstück erzwungen; es kommt zu einer kontinuierlichen Selbstaufschärfung des Honsteins. Es erfolgt jedoch nicht die erwünschte Glättung. Es bleibt bei einer schlechteren Oberflächenbeschaffenheit, d. h. größere Rautiefe.
(c) Liegt der Anpreßdruck zwischen den beiden genannten Werten (bspw. µm 100 N/cm²), so kommt es zu einem labilen Verhalten, bei dem sich "Ausklinken" und "Selbstaufschärfen" intermittierend abwechseln.

Aus den genannten Gründen ist es äußerst schwierig, einen genau bestimmbaren Werkstoffabtrag bis auf ein bestimmtes Soll-Maß und gleichzeitig eine bestimmte Glättung der Oberfläche des Werkstücks zu erzielen. Dies ist um so mehr dann schwierig, wenn während der Feinbearbeitung unterschiedliche Abmessungen aus dem vorhergehenden Arbeitsgang (Schleifen) ausgeglichen werden sollen. In anderen Worten: man kann dabei durch das Honen zwar die Oberfläche verbessern und auch einen bestimmten Werkstoffabtrag erzielen, dieser Werkstoffabtrag ist aber nicht einstellbar. Der Werkstoffabtrag ist stark abhängig von der Ausgangsrauhigkeit des Werkstückes, die durchaus unterschiedlich sein kann. Beispielsweise nimmt diese beim spitzenlosen Schleifen nach jedem Abrichtvorgang kontinuierlich ab infolge der Abstumpfung Toleranzgrenze ansteigt. Dies führt in doppelter Hinsicht dazu, daß die Durchmessertoleranz nach dem Honen größer wird.

Man hat nun die verschiedensten Wege beschritten, um diese Schwierigkeiten zu überwinden. So hat man versucht, durch Druckspülungen den Honstein sauber zu halten und den "Ausklinkeffekt" zu vermeiden (DE-OS 24 59 822) oder den Honstein fortlaufend durch Ultraschall-Beaufschlagung zu reinigen (DE-PS 24 35 848 = US-PS 40 04 375).

Es ist ferner bekannt, die Feinbearbeitung in zwei Phasen zu unterteilen, und zwar in eine erste Phase, in der mit geringer Umfangsgeschwindigkeit des Werkstückes und hohem Anpreßdruck des Honsteins gearbeitet wird, und in eine zweite Phase, in der mit höherer Umfangsgeschwindigkeit des Werkstückes und geringerem Anpreßdruck gearbeitet wird. Dabei wird die Dauer der ersten Phase variiert, um unterschiedliche Abweichungen vom gewünschten Soll-Maß auszugleichen, bevor in der zweiten Phase die Glättung stattfindet (vgl. DE-AS 23 39 726 = US-PS 40 48 764 und US-PS 39 59 928). Dieses Verfahren ist jedoch relativ kompliziert und setzt weitere Steuerungsmaßnahmen voraus. Schließlich ist man auch hier mit nicht in der Lage, bei gleichzeitiger Glättung der Oberfläche einen beliebigen Werkstoffabtrag am Werkstück zu erzielen. Dasselbe gilt auch für andere Verfahren der Meßsteuerung beim Honen (siehe technica 1970, Nr. 15, S. 1288 bis 1297) und für Verfahren bzw. Vorrichtungen, bei denen der kurzhubigen hochfrequenten Schwingung des Honsteins noch eine vergleichsweise langhubige, niederfrequente zweite Hin- und Herbewegung überlagert wird (DE-OS 24 13 000 = US-PS 40 24 672).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem ein beliebiger Werkstoffabtrag am Werkstück, bei gleichzeitiger Glättung der Oberfläche möglich ist. Dabei soll es insbesondere ermöglicht werden, den Werkstoffabtrag in Abhängigkeit des Ausgangsmaßes aus der vorherigen Bearbeitungsstufe bis auf ein gewünschtes Sollmaß zu steuern. Das Verfahren soll sich insbesondere für die Bearbeitung zylindrischer Werkstücke derart eignen, daß auch die Zylindrizität, d. h. die Geradlinigkeit der Mantellinie eines zylindrischen Werkstückes, verbessert wird und aus der vorhergehenden Bearbeitungsstufe herrührende Zylindrizitätsabweichungen, insbesondere Balligkeiten des Werkstückes abgetragen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zustellung des Honsteins auf das Werkstück über eine bestimmte Länge des Zustellwegs durch den Anpreßdruck erzwungen und bei Erreichen des Endes dieser Länge begrenzt wird.

In überraschend einfacher Weise gelingt es so, die Vorteile des seitherigen Arbeitens mit hohem Anpreßdruck, also Selbstaufschärfung und Werkstoffabtrag, mit den Vorteilen des seitherigen Arbeitens mit geringem Anpreßdruck, also Glättung, zu kombinieren und schrittweise so oft zu wiederholen, daß bei optimaler Glättung der Oberfläche des Werkstücks ein beliebiger Werkstoffabtrag erzielt und dabei gleichzeitig die Zylindrizität der Werkstücke verbessert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es stellt dar

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4 verschiedene Meßergebnisse eines Werkstücks;

Fig. 5 weitere Meßergebnisse.

Am Maschinenständer 2 ist ein Halter 1 befestigt, der zwei Führungsstangen 3 trägt. Auf den Führungsstangen 3 ist mittels Führungen 4 ein Träger 5 für einen Antriebsmotor 6 geführt. Der Antriebsmotor 6 trägt an seinem Wellenende einen Exzenter 7, der mittels eines Kugellagers 8 zwischen zwei Führungsleisten 9 in einem Werkzeugträger 10 angeordnet ist. Auf diese Weise wird von dem Antriebsmotor 6 dem Werkzeugträger 10 eine kurzhubige hochfrequente Schwingung erteilt. Der Hub kann z. B. 1 bis 3 mm, die Frequenz z. B. 2000 Hz betragen.

Am Träger 5 greift eine Pleuelstange 11 an, welche über einen Exzenter 12 von einem am Halter 1 befestigten Getriebemotor 13 langhubig hin und her bewegt wird. Der Hub hängt von der Länge des Werkstücks 16 ab. Er beträgt bspw., wenn das Werkstück 16 durch eine 10 mm lange Rolle gebildet wird, ebenfalls 10 mm, so daß er das Werkstück überstreicht. Die Geschwindigkeit dieser langhubigen Hin- und Herbewegung beträgt bspw. 100 mm/min. Der Werkzeugträger 10 wird dabei mittels Führungen 18 auf den Führungsstangen 3 geführt. Die Anzahl der Hübe pro Arbeitszyklus kann vorgewählt werden, z. B. 1 bis 5 Hübe. Die Hubfrequenz liegt bei 40-160 Hübe/min.

Der Werkzeugträger 10 trägt eine Steinführung 14, die dazu dient, einen Honstein 15 gegen ein Werkstück 16 anzudrücken. Das Werkstück 16 ist im Beispiel eine Rolle (z. B. für ein Kegelrollenlager) und spitzenlos zwischen zwei sich gleichsinnig drehenden Walzen 17 und 17 a aufgenommen. Auf diese Weise erfolgt der Drehantrieb des Werkstücks. In Fig. 1 wurde der Einfachheit halber die vordere Walze 17 a nicht mit eingezeichnet. Die Walze 17 wird vom Motor 17 b angetrieben. Die Walze 17 a läuft frei mit oder ist ebenfalls synchron und gleichsinnig angetrieben.

Die Steinführung 14, deren Aufbau im einzelnen aus Fig. 3 ersichtlich ist, wird durch einen Führungszylinder 19 für einen Kolben 20 gebildet. Mit dem Kolben 20 verbunden ist die Kolbenstange 21. Sie trägt an ihrem unteren Ende den Steinhalter 22 und dieser den Honstein 15. Wird der Kolben 20 über Anschluß 24 mit einem Druckmedium beaufschlagt, so wird der Honstein in Richtung des Pfeiles X gegen das durch die Walzen 17 und 17 a drehangetriebenen Werkstück 16 gedrückt und damit auf das Werkstück hin zugestellt. Wird der Kolben 20 in umgekehrter Richtung über den Anschluß 25 mit Druckmedium beaufschlagt, wird der Honstein 15 vom Werkstück 16 abgehoben.

Die Kolbenstange 21 trägt an ihrem oberen Ende fest eine Platte 26. Sie wirkt als Anschlag und wird von einem weiteren Anschlag 27 umfaßt, der ihre Bewegung nach unten und damit die Zustellung des Honsteins 15 in Richtung auf das Werkstück 16 genau auf den Wert d (Fig. 1, Fig. 3) begrenzt.

Die Steinführung 14 ist an der Platte 40 befestigt, die mittels einer Schwalbenschwanzführung im Werkzeugträger 10 horizontal verstellbar ist.

Die höhenmäßige Einstellung des Anschlags 27 und damit die genaue Definition des Endes der Zustellung des Honsteines 15 in Richtung auf das Werkstück 16 erfolgt durch die Verstellung der Manschette 27′, an der der Anschlag 27 fest angeordnet ist. Die Verstellung der Manschette 27′ erfolgt über eine Gewindespindel 29, die z. B. von einem Getriebeschrittmotor 30 angetrieben wird. Auf diese Weise ist der Anschlag 27 und damit das exakte Ende des Zustellhubes schrittweise in kleinen Schritten genau einstellbar.

Unterhalb des Werkstückes 16 ist ein Meßfühler 31 angeordnet, mit welchem das jeweilige Ist-Maß des Durchmessers des Werkstückes 16 "abgefragt", d. h. gemessen wird. Das Ergebnis gelangt über eine Leitung 42 an die Steuereinheit 41 und bewirkt die weitere schrittweise Verstellung des Anschlages 27 bis auf das gewünschte Soll-Maß.

Nach dem Einlegen eines Werkstückes 16 zwischen die Walzen 17 und 17 a wird der Honsteinhalter 14 auf das Werkstück 16 abgesenkt. Für sperrige Teile bzw. für das grobe Einrichten ist der Halter 1 in der angedeuteten Schwalbenschwanzführung des Maschinenständers 2 in der Höhe verstellbar. Dies erfolgt mittels einer vertikalen Verstelleinrichtung zwischen dem Halter 1 und dem Maschinenständer 2, die der Einfachheit halber durch eine Schwalbenschwanzführung 2′ (Fig. 2) angedeutet ist. Dann wird dem Honstein 15 durch den Antriebsmotor 6 die kurzhubige Schwingung erteilt, wobei der Träger 5 ferner gleichzeitig die durch den Getriebemotor 13 bewirkte langhubige Hin- und Herbewegung ausführt. Dabei wird der Kolben 20 mit Druckmedium beaufschlagt, so daß dadurch der Honstein auf die Oberfläche des Werkstückes 16 zugestellt wird und ein Werkstoffabtrag und eine Oberflächenverbesserung am Werkstück 16 erfolgt. Der Anpreßdruck muß dabei am Anfang so stark sein, daß damit auf jeden Fall eine Zustellung bis zum Auftreffen von Platte 26 auf Anschlag 27 erzwungen wird. Die Zustellbewegung des Honsteins 15 auf das Werkstück 16 ist dann aber auch exakt beendet, wenn die Platte 26 auf den Anschlag 27 trifft. Bei relativ kleinem Zustellweg baut sich der anfangs hohe Anpreßdruck rasch ab. Es ergibt sich im Zusammenhang mit der kurzhubigen hochfrequenten Schwingung des Honsteins jeweils nur ein kurzer intensiver Werkstoffabtrag durch den Honstein, der evtl. nur Bruchteile einer Sekunde dauert, und an das sich sofort die Glättung durch eine Art "Ausfeuern" des Honsteins anschließt. Ein solcher Schritt der Zustellung kann ggf. mehrfach wiederholt werden. Als Zustellhübe für jeweils einen solchen Zustellschritt haben sich Hübe von 1 bis 2 µm bewährt. Es sind aber auch Hübe von 5 oder 10 µm oder gar bis 20 µm möglich. Ergibt eine Messung durch den Meßfühler 31 und ein Vergleich des Ist-Maßes mit dem Soll-Maß, daß der gewünschte endgültige Durchmesser nicht erreicht ist, so wird der Schrittmotor 30, wie erwähnt, über Leitung 42 durch ein in der Steuereinheit 41 abgeleitetes Signal dazu veranlaßt, den Anschlag 27 µm einen definierten Betrag weiter abzusenken, so daß der Zustellschritt wiederholt wird.

Fig. 4 zeigt Meßergebnisse für ein Werkstück, mit dem Durchmesser 10 mm und der Länge 10 mm nach 5 Zustellschritten. Es ergaben sich für den Werkstoffabtrag, also die jeweilige Verringerung des Durchmessers folgende Werte:

(a) Werkstoffabtrag: d = 10 µm
(b) weiterer Werkstoffabtrag: d = 5 µm
(c) weiterer Werkstoffabtrag: d = 7 µm
(d) weiterer Werkstoffabtrag: d = 6 µm
(e) weiterer Werkstoffabtrag: d = 5 µm.

Aus Fig. 4 ist neben der Erzielung der hervorragenden Oberflächenglätte nach jedem Zustellschritt ersichtlich, daß auf diese Weise auch die "Geradheit" der Mantelflächen erheblich verbessert wird. Es ergibt sich eine extrem gute Zylindrizität der Mantellinie und damit ein Vermeiden der ansonsten bei der Bearbeitung derartiger Werkstücke auftretenden "Balligkeit". Die Bearbeitung erfolgte mit einem Honstein aus Siliciumcarbid, keramisch gebunden, ungeschwefelt, mittlere Härte und 800'er Korn (Korndurchmesser ca. 12 µm). In Fig. 4 entspricht ein Teilstrich einer Strecke von 1 µm.

Fig. 5 zeigt eine Messung der Rundheit des Werkstückes. In Fig. 5 entspricht ein Teilstrich einer Strecke von 0,2 µm.

Dabei wurde mit einem relativ kleinen Honstein gearbeitet, der einen Querschnitt von 10 mm mal 4 mm = 0,4 cm² aufwies. Die Anpreßkraft betrug ca. 200 N. Das ergibt einen spezifischen Anpreßdruck von ca. 500 N/cm².

Der hohe Anpreßdruck in der Anfangsphase der Zustellung scheint verantwortlich dafür zu sein, daß auch stets bei bereits sehr glatter Oberfläche der Honstein erneut "greift", d. h. einen Werkstoffabtrag erzielt. Die große Rautiefe wird jedoch durch die Zustellung auf ein genau definiertes Maß und die dadurch bewirkte rasche Verringerung des Anpreßdruckes und dann folgende Glättung wieder ausgeglichen.

Claims

1. Verfahren zur Feinbearbeitung rotationssymmetrischer Werkstücke, die in einer Antriebseinrichtung (17, 17 a, 17 b) aufgenommen und in Drehung versetzt werden, bei dem ein Honstein, der eine kurzhubige hochfrequente Schwingung ausführt, an die zu bearbeitenden Fläche angepreßt und dabei auf das Werkstück zugestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustellung des Honsteins (15) auf das Werkstück über eine bestimmte Länge (d) des Zustellwegs (x) durch den Anpreßdruck erzwungen und bei Erreichen des Endes dieser Länge begrenzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anpreßdruck des Honsteins (15) bei Beginn der Zustellbewegung mehr als 200 N/cm², vorzugsweise 500 N/cm², beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustellung durch einen einstellbaren Anschlag (27), auf den ein am Steinhalter (22) befestigter weiterer Anschlag (26) auftrifft, begrenzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Länge (d) der Zustellung zwischen 1 µm und 20 µm, vorzugsweise zwischen 2 und 8 µm beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustellung mehrfach schrittweise bis zum Erreichen des Soll-Maßes des Werkstücks (16) wiederholt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem Schritt der Anschlag (27) um eine bestimmte Länge verstellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Honstein (15) zusätzlich zu der kurzhubigen hochfrequenten Schwingung noch eine weitere Hin- und Herbewegung von niedriger Frequenz und mit einem Hub, der die gesamte Länge des Werkstücks (16) überstreicht, erteilt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, bei dem der Honstein (15) in einem Steinhalter (22) aufgenommen ist, der auf das Werkstück (16) dadurch absenkbar ist, daß eine mit dem Honsteinhalter (22) verbundene Kolbenstange (21) mit einem Kolben (20) versehen ist, der in Richtung auf das Werkstück mit Druck beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kolbenstange (21) ein erster Anschlag (26) angebracht ist, der bei der Zustellbewegung auf einen zweiten Anschlag (27) auftrifft, der bei der Zustellung feststeht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschlag (27) durch eine Verstellvorrichtung (29, 30) schrittweise in Richtung auf das Werkstück (16) verstellbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Ist-Maßes des Werkstückes am Werkstück (16) ein Meßfühler (31) angeordnet ist.