DE3643921A1 - Verfahren zum feinbearbeiten von rotationssymmetrischen aussenflaechen an werkstuecken - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Feinbearbeiten von rotationssymmetrischen Außenflächen an Werkstücken nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Bei den bekannten Verfahren dieser Gattung wer­ den eine hohe Oberflächengüte und sehr enge Toleranzen am Werkstück dadurch erzielt, daß die Bearbeitung auf äußerst steif ausgeführten Feindrehmaschinen mit hohen Drehzahlen und kleinen Vorschüben er­ folgt, wobei auf eine sehr genaue statische und dynamische Aus­ wuchtung der rotierenden Teile geachtet wird. Trotz des damit ver­ bundenen erhöhten Fertigungsaufwandes ist nicht mit Sicherheit aus­ zuschließen, daß sich durch Verunreinigungen an bzw. in der Ma­ schinenaufnahme für das Werkzeug und/oder das Werkstück eine Fehl­ einstellung der Werkzeugschneide ergibt, welche zu unzulässigen Toleranzabweichungen des fertig bearbeiteten Werkstücks führt und nur durch eine meßgesteuerte Werkzeugführung vermieden werden kann. Ferner sind Werkzeuge zum Feinbearbeiten von Präzisionsbohrungen be­ kannt, die mit einer geometrisch definierten Schneide und mit Mitteln zum Führen der Schneide in der Bohrung versehen sind. Diese Werkzeuge können als Austauschwerkzeuge ausgebildet sein, die außer­ halb der Werkzeugmaschine in einem Einstellgerät mit Meßuhren auf Fertigmaß eingestellt und in einer vorgegebenen Arbeitsgang-Reihen­ folge entweder von Hand oder mittels Greifereinrichtungen in eine Maschinenspindel der Werkzeugmaschine eingewechselt werden. Zwischen der Maschinenspindel und dem Werkzeug ist ein Präzisions-Paßsitz vorhanden, welcher bei fliegend arbeitenden Werkzeugen vorzugsweise als Konus ausgebildet ist. Damit für den Feinarbeitsgang eine mög­ lichst kleine Bearbeitungszugabe vorgesehen werden kann, müssen Werkstück und Maschinenspindel präzise aufeinander ausgerichtet sein. Außerdem muß die Achse des Werkzeugs mit der Achse der Ma­ schinenspindel möglichst genau fluchten. Bei dieser Anordnung können Verschmutzungen des Paßsitzes in der Maschinenspindel zu einem Radialschlag des Werkzeugs führen, der zu einem erhöhten Verschleiß des Werkzeugs sowie Quälitätseinbußen hinsichtlich Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität der bearbeiteten Zylinderfläche des Werk­ stücks führt. Um diesen Mangel zu beheben, wurde bereits vorge­ schlagen, den in den Konus der Maschinenspindel einzusetzenden Schaft des Werkzeugs so biegeelastisch auszuführen, daß der die Werkzeugschneide und die Führungsmittel tragende Schneidkopf des Werkzeugs unter dem Einfluß der bei der Bearbeitung auf ihn ein­ wirkenden Richtkräfte selbsttätig in die Achse der Bohrung einzu­ schwenken vermag.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Anspruch 1 hat gegenüber den bekannten Verfahren zur Feinbearbeitung von rotationssymme­ trischen Außenflächen an Werkstücken den Vorteil, daß Zentrierfehler der Werkzeugschneide nach einem Werkzeugwechsel ohne einen äußeren Eingriff, d.h. ohne Nachjustierung, selbsttätig ausgeglichen werden. Dadurch ist es möglich, Außenflächen mit gleichbleibender Qualität und Maßgenauigkeit mit voreingestellten Austauschwerkzeugen durch Feindrehen zu bearbeiten, wobei der Austausch der Werkzeuge manuell oder automatisch erfolgen kann. Nach einem Werkzeugwechsel fallen keine Ausschußteile an. Aufwendige Meßvorgänge, Prüfstationen, Schneidenregeleinrichtungen und Regelzeiten entfallen. Der Ma­ schinennutzungsgrad wird angehoben.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen eines Werk­ zeugs zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Anspruch 1 ge­ richtet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl mit einem stehenden Werkzeug und sich drehenden Werkstück als auch mit einem sich drehendem Werkzeug und bei stehendem Werkstück ausgeführt wer­ den. Ferner lassen sich bei diesem Verfahren auch Werkzeuge ein­ setzen, die mehrere axial hintereinander angeordnete, auf verschie­ dene Bearbeitungsdurchmesser eingestellte Schneiden zur Stufenbear­ beitung eines Werkstückes haben.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Feindrehwerkzeug zur Bearbeitung von zylin­ drischen Außenflächen an Werkstücken in Seitenansicht und teilweise im Schnitt, Fig. 2 die bearbeitungsseitige Stirnansicht des Fein­ drehwerkzeugs nach Fig. 1 und Fig. 3 eine Variante zur Ausführung nach Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das Feindrehwerkzeug ist so ausgebildet, daß es in den Innenkonus einer gleichachsig zum zylindrischen Werkstück angeordneten Ma­ schinenspindel einer Werkzeugmaschine einsetzbar ist. Zu diesem Zweck hat das Feindrehwerkzeug einen Werkzeughalter 10, der mit einem passend ausgebildeten Konus 12, sowie mit einer Greifnut 14 für einen Wechselgreifer versehen ist. Mit dessen Hilfe kann das dargestellte oder ein anderes gewünschtes Feindrehwerkzeug aus einem Magazin entnommen und lose in den Konus der Maschinenspindel einge­ setzt werden. Danach wird der Konus 12 mit einer an einem Gewinde­ stutzen 16 angreifenden Zange im Konus der Maschinenspindel festge­ zogen, wobei die Teile reibungsschlüssig miteinander verspannt wer­ den.

Der Werkzeughalter 10 ist am bearbeitungsseitigen Stirnende mit einem Flansch 18 versehen, an dem ein als Ganzes mit der Bezugszahl 20 bezeichneter Werkzeugträger durch Schrauben 22 befestigt ist. Der Werkzeugträger 20 ist seinerseits mit einem Flansch 24 versehen, durch den die Schrauben 22 mit Spiel hindurchtreten und der einen zentrischen Bund 26 hat, der in eine entsprechend ausgebildete Aus­ nehmung 28 im Flansch 18 des Werkzeughalters 10 eingreift. Der Bund 26 kann durch drei Gewindestifte 30 in der Ausnehmung 28 zentriert werden, bevor die Schrauben 22 festgezogen werden. Die Gewindestifte 30 durchgreifen je eine Gewindebohrung, die im Flansch 18 des Werk­ zeughalters 10 in der Höhe der Ausnehmung 28 angeordnet sind.

Der Flansch 24 des Werkzeugträgers 20 ist über einen schlanken Schaft 32 einstückig mit einem Schneidkopf 34 verbunden, welcher eine zentrale Sackbohrung 36 hat, deren Durchmesser etwas größer als der Durchmesser des unbearbeiteten bzw. vorbearbeiteten Werkstückes ist. Der Schneidkopf 34 trägt eine vorzugsweise aus Hartmetall be­ stehende Schneidleiste 40, die am vorderen Stirnende mit einer Hauptschneide 42 und an ihrer dem Werkstückumfang zugekehrten, über die Bohrungswand vorstehenden Längsseite mit einer Nebenschneide 44 versehen ist. Die Hauptschneide 42 steht einige Zehntel Millimeter über die Stirnwand 46 des Schneidkopfes 34 vor und schließt mit der Längsachse des Werkzeuges einen Winkel a ein, der vom Material des Werkstücks abhängig ist. Die Schneidleiste 40 ist durch nicht darge­ stellte Spannmittel und eine Spannpratze 48 einstellbar am Schneid­ kopf 34 befestigt.

Im Schneidkopf 34 sind ferner drei über die Wand der Sackbohrung 36 nach innen vorstehende Führungsleisten 50 befestigt, von denen eine der Schneidleiste 40 in einem dem Fertigmaß des Werkstückdurch­ messers entsprechenden Abstand diametral gegenüberliegt. Die Führungsleisten 50 beginnen vorn in der Ebene der Stirnseite 46 des Schneidkopfes 34 und erstrecken sich etwa gleich weit wie die Schneidleiste 40 in den Schneidkopf 34 hinein. Dieser ist im Bereich der Schneidleiste 40 mit einer Ausnehmung 52 versehen, welche über einen Kanal 54 mit einer in die Sackbohrung 36 führenden Längs­ bohrung 56 für die Zufuhr eines flüssigen Kühlmittels verbunden ist.

Das herzustellende Fertigmaß des Werkstück-Außendurchmessers wird zwischen der Schneidleiste 40 und der ihr gegenüberliegenden Führungsleiste 50 eingestellt. Die Einstellung erfolgt außerhalb der Werkzeugmaschine und kann beispielsweise mit Hilfe einer Streich­ lehre mit Meßuhr überwacht werden. Die Streichlehre kann mit einem Urstück auf Fertigmaß eingestellt und laufend kontrolliert werden, so daß auch an allen folgenden Austauschwerkzeugen eine exakte Ein­ stellung der Schneidleiste 40 gewährleistet ist.

Durch die exakte Einstellung der Schneidleiste 40 auf das gewünschte Fertigmaß ist noch nicht sichergestellt, daß nach dem Einsetzen des Feindrehwerkzeuges in die Maschinenspindel die Achsen der Maschinen­ spindel, des Flugkreises der Schneidleiste 40 bzw. die Rotations­ achse des Werkstücks und die Achse der zu bearbeitenden zylin­ drischen Außenfläche am Werkstück miteinander fluchten. Durch Verun­ reinigungen des Paßsitzes in der Maschinenspindel, durch Geometrie­ fehler und dergleichen können beispielsweise zwischen dem einge­ setzten bzw. eingewechselten Feindrehwerkzeug und der Maschinen­ spindel Fluchtungsfehler auftreten, die einen Radialschlag des Schneidkopfes 34 verursachen. Bei völlig starrer Ausführung des Feindrehwerkzeugs, wie sie üblicherweise bei der Feinbearbeitung für die Lagerung der Schneide angestrebt wird, würde jedoch ein Radial­ schlag zu unzulässigen Fertigmaßabweichungen und, wenn gleichzeitig Führungsmittel, wie die Führungsleisten 50, vorgesehen werden, zu einer erheblichen Verminderung der Oberflächengüte der bearbeiteten Außenfläche des Werkstücks führen.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist beim erfindungsgemäßen Fein­ drehwerkzeug der Schaft 32 des Werkzeugträgers 20 durch entsprechen­ de Bemessung seines Durchmessers und durch entsprechende Werkstoff­ wahl so biegeelastisch ausgeführt, daß seine bei einer radialen Aus­ lenkung des Schneidkopfes 34 auftretende Rückstellkraft kleiner ist als die vom Werkstück auf den Schneidkopf 34 bzw. den Schaft 32 bei Auftreten von Fluchtungsfehlern ausgeübte Richtkraft. Die Länge des vorteilhaft aus gehärtetem Stahl bestehenden Schaftes 32 kann vor­ zugsweise etwa 1,7 bis 2,6mal größer als sein Durchmesser sein. Bei der Variante nach Fig. 3 ist der Schaft 32 a gegenüber dem Schneid­ kopf 34 im Durchmesser nur unwesentlich geschwächt, jedoch mit mehreren, sägeschlitzartigen Ausnehmungen 50 versehen, welche die Biegeelastizität des Schaftes 32 a im gewünschten Sinne erhöhen. Durch entsprechende Bemessung (Tiefe, Breite) und Verteilung der Ausnehmungen 50 über den Umfang und die Länge des Schaftes 32 a kann für den speziellen Anwendungsfall die Biegeelastizität optimiert und auch in verschiedenen radialen Richtungen des Schaftes 32 a unter­ schiedlich groß gemacht werden, was in manchen Fällen erwünscht sein kann. Ferner kann der Schaft 32 a torsionssteifer als der Schaft 32 nach Fig. 1 ausgeführt werden und durch seine größere Masse wird eine höhere Schwingungsdämpfung erzielt.

Bei der Feinbearbeitung des Werkstücks dreht die axial vorstehende Schneidleiste 40 den Stirnrand des Werkstücks zunächst etwas an, wo­ nach die Führungsleisten 50 über die Andrehung gelangen und im Zu­ sammenwirken mit der Biegeelastizität des Schaftes 32 bzw. 32 a ihre Führungsaufgabe übernehmen, d.h. das vorgeschriebene Fertigmaß des Werkstückes auch bei einem Fluchtungsfehler der Teile zu erzwingen und außerdem die Schneidleiste 40 selbst von einer Führungsfunktion zu entlasten. Dadurch können die Schneiden 42 und 44 an der Schneid­ leiste 40 für eine optimale Zerspanung und Glättung der Werkzeug­ oberfläche gestaltet werden. Bei praktischen Versuchen hat sich er­ geben, daß ein erfindungsgemäß ausgebildetes Werkzeug zur Bear­ beitung einer Welle von 17 mm Durchmesser Radialschläge der Schnei­ den 42, 44 bis zu 0,04 mm auszugleichen vermag, ohne daß sich die Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstücks vermindert und sein Fertigmaß um mehr als 0,001 mm vom Sollwert abweicht. Der Schaft 32 bzw. 32 a schwingt mit dem Schneidkopf 34 nach der Bearbeitung in die ursprüngliche Ausgangslage zurück. Beim Feindrehen von Wellen aus Stahl St 60 wurden Rauhtiefen bis zu R _Z 1,87 µm erreicht.

Claims (8)

1. Verfahren zum Feinbearbeiten von rotationssymmetrischen Außen­ flächen an Werkstücken, wie Wellen, Zapfen und dergleichen, mit einem Drehwerkzeug, das eine geometrisch definierte Schneide hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugschneide (42, 44) an der rotationssymmetrischen Außenfläche des Werkstücks durch Mittel (50) geführt wird, welche sich am Werkstück abstützen und die auf die Werkzeugschneide (42, 44) ausgeübten radialen Schnittkräfte auf­ nehmen, und daß es ferner einem die Werkzeugschneide (42, 44) und deren Führungsmittel (50) tragenden Schneidkopf (34) durch einen biegeelastischen Werkzeugträger (20) ermöglicht wird, sich unter dem Einfluß der Schnitt- und Stützkräfte parallel bzw. gleichachsig zu der zu bearbeitenden Außenfläche des Werkstücks auszurichten.

2. Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugschneide (42, 44) an einer sich ent­ lang der zu bearbeitenden Außenfläche des Werkstücks erstreckenden Schneidleiste (40) gebildet ist, und daß die Mittel (50) zum Führen der Schneide (42, 44) mindestens annähernd so lang sind wie die Schneidleiste (40).

3. Werkzeug nach Anspruch 2, zum Feindrehen von zylindrischen Außen­ flächen an Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneid­ leiste (40) an der vorderen Stirnseite eine Hauptschneide (42) und an ihrer dem Werkstückumfang zugekehrten Längsseite eine Neben­ schneide (44) hat.

4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Führen der Schneidleiste (40) gegenüber der Außenzylinderfläche des Werk­ stückes mindestens zwei sich parallel zur Außenzylinderfläche er­ streckende Führungsleisten (50) vorgesehen sind, von denen eine der Schneidleiste (40) in einem dem Durchmesser der fertigbearbeiteten Außenzylinderfläche entsprechenden Abstand diametral gegenüberliegt.

5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt­ schneide (42) der Schneidleiste (40) sowohl axial über die vorderen Stirnseiten der Führungsleisten (50) als auch radial über die durch die Führungsleisten (50) umrissene zylindrische Führungsfläche her­ vorsteht.

6. Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidkopf (34) mit einer gleichachsig zu der zu bearbeitenden Außenfläche angeordneten Maschinenaufnahme über einen biege­ elastischen Werkzeugschaft (32, 32 a) verbindbar ist, dessen Rück­ stellkraft kleiner ist als die vom Werkstück auf den Schneidkopf (34) ausgeübte Richtkraft bei nicht fluchtenden Achsen von Außen­ fläche des Werkstücks und Werkzeugschaft (32, 32 a) bzw. Maschinen­ aufnahme.

7. Werkstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Durchmesser geschwächter schaftartiger Abschnitt (32) des Werkzeug­ trägers (20) aus gehärtetem Stahl besteht und einen durchgehend gleichen Kreisquerschnitt hat, dessen Durchmesser um den Faktor 0,4 bis 0,6 kleiner ist als die Länge des geschwächten Abschnittes (32).

8. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werk­ zeugschaft (32) mit mindestens einer die Biegeelastizität erhöhen­ den, sich nur über einen Teil seines Umfangs erstreckenden schlitz­ artigen Ausnehmung (50) versehen ist.