DE3919301A1

DE3919301A1 - Verfahren zur maschinellen bearbeitung eines bauteils mit einem schraubenfoermigen abschnitt

Info

Publication number: DE3919301A1
Application number: DE3919301A
Authority: DE
Inventors: Takeo Shirakura; Fumitoshi Terasaki; Takashi Nishimoto
Original assignee: Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1988-06-13
Filing date: 1989-06-13
Publication date: 1989-12-14
Anticipated expiration: 2009-06-14
Also published as: JPH01316127A; DE3919301C2; GB2220158B; US5088244A; GB8913580D0; GB2220158A; JPH0811329B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur maschinellen Bearbeitung eines Bauteils mit einem schraubenförmigen Abschnitt der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Dieses Verfahren wird zur maschinellen Bearbeitung des Bauteils, beispielsweise einer Kugelmutter, mit einem schraubenförmigen Abschnitt verwendet, der mit Hilfe einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Schleifvorrichtung geschliffen wird.

Wenn die Steigung einer Schraube durch Schleifen hergestellt wird, war es bisher üblich, die Spindel der Schleifscheibe entsprechend dem Steigungswinkel in der in Fig. 10 gezeigten Weise zu kippen. Es war weiterhin erforderlich, die Abrichtvorrichtung für die Schleifscheibe in ähnlicher Weise zu kippen. Das Schleifen erfolgte damit unter Verwendung einer Schraubenschleifvorrichtung, die ausschließlich für diesen Zweck hergestellt wurde und die einen Kippmechanismus aufweist, der es ermöglicht, die vorstehend genannten Forderungen zu erfüllen.

Wenn jedoch eine derartige Schraubenschleifvorrichtung mit einem Kippmechanismus verwendet wird, so ist es unmöglich, ein Innengewinde durch Schleifen maschinell herzustellen, wenn das Innengewinde einen geringen Durchmesser aufweist und wenn gleichzeitig eine tiefe Nutbildung erwünscht ist, weil in diesen Fällen das Problem besteht, daß die Schleifscheibenspindel und das maschinell zu bearbeitende Bauteil miteinander in Berührung kommen. Weil sich weiterhin die Höhenlage des Mittelpunktes der Schleifscheibe in Abhängigkeit von der Länge der verwendeten Schleifscheibenspindel ändert, muß die Vertikalposition dieses Mittelpunktes jedesmal dann geändert werden, wenn eine Spindel mit unterschiedlicher Länge verwendet wird. Weiterhin ist der Kippmechanismus als solcher sehr kompliziert, so daß die gesamte Schleifvorrichtung aufwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei der maschinellen Bearbeitung die Herstellung einer tiefen Nut mit einem geringen Durchmesser in einem schraubenförmigen Abschnitt eines Bauteils ermöglicht, ohne daß es erforderlich ist, daß die Achse des verwendeten Werkzeugs gekippt oder geneigt wird und ohne daß es erforderlich ist, eine Schraubenschleifvorrichtung zu verwenden, die ausschließlich für diesen Zweck ausgebildet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst die Form eines Werkzeugs ermittelt, das entsprechend der Gewindenut-Form des schraubenförmigen Abschnittes des zu bearbeitenden Bauteils vorspringt und auf einem Abschnitt senkrecht zur Achse des schraubenförmigen Abschnittes liegt. Die Achse dieses Werkzeuges wird dann parallel zur Achse des zu bearbeitenden schraubenförmigen Abschnittes angeordnet. Die betreffende Oberfläche des schraubenförmigen Abschnittes wird dann dadurch maschinell bearbeitet, daß das Werkzeug relativ zu dem schraubenförmigen Abschnitt bewegt wird, während die Achse parallel zur Achse des schraubenförmigen Abschnittes gehalten wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der schraubenförmige Innengewindeabschnitt des Bauteils wie folgt bearbeitet: Zunächst werden die verschiedenen Spezifikationen, die für die Bearbeitung des mit Innengewinde zu versehenden schraubenförmigen Abschnittes in das Rechenwerk einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine (NC-Maschine) eingegeben. Programme werden derart ausgeführt, daß Daten hinsichtlich der Abmessungen der benötigten Schleifscheibe, das heißt der Durchmesser und die Breite der Schleifscheibe zunächst angezeigt werden. Danach werden Schleifscheiben-Abrichtdaten berechnet und in einem Speicher gespeichert, und es wird eine Ansicht der Schleifscheiben-Abrichtortskurve auf einer Anzeigevorrichtung dargestellt. Eine Schleifscheiben-Abrichtvorrichtung wird auf der Grundlage der dargestellten Daten derart gesteuert, daß die Schleifscheibe auf eine Form abgerichtet wird, die entsprechend der Schraubennut-Form auf einem Querschnitt senkrecht zur Achse des schraubenförmigen Abschnittes vorspringt. Das Bauteil wird geschliffen, während die erforderliche Bearbeitungstiefe sichergestellt wird und wobei die Schleifscheibe entsprechend der Steigung des schraubenförmigen Abschnittes vorgeschoben wird, während die Achse der Schleifscheibe parallel zur Achse des schraubenförmigen Abschnittes gehalten wird.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Ansicht des Antriebssystems einer Ausführungsform der numerisch gesteuerten Schleifvorrichtung,

Fig. 2 eine Ansicht, die eine Ausführungsform des Abrichtabschnittes der Schleifvorrichtung zeigt,

Fig. 3 eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in dem ein Innengewindeabschnitt mit Hilfe einer Ausführungsform des Verfahrens geschliffen wird,

Fig. 4 und 5 Ansichten zur Erläuterung der Polarkoordinaten der Ortskurve eines Gewindes auf einem Querschnitt senkrecht zur Achse der Schraube,

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm, das ein Systemprogramm zum Abrichten einer Schleifscheibe zeigt,

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm, das ein Programm zur Berechnung der Anfangsform des Schleifrades zeigt,

Fig. 8 ein Ablaufdiagramm, das ein Programm zur Berechnung der Abrichtdaten zeigt,

Fig. 9 eine Ansicht des Umrisses der Schleifscheibe,

Fig. 10 eine Ansicht zur Erläuterung eines Zustandes, bei dem ein Innengewindeabschnitt mit Hilfe eines bekannten Verfahrens geschliffen wird.

In Fig. 1 sind die verschiedenen Bauteile einer Schleifvorrichtung gezeigt, während Fig. 2 eine Schleifscheiben-Abrichtvorrichtung zeigt. Ein Querschlitten (1) ist auf der linken Seite eines (nicht dargestellten) Maschinenbettes der Schleifvorrichtung derart angeordnet, daß er in Richtung der X-Achse (das heißt in Richtung der Bearbeitungstiefe) beweglich ist. Auf dem Querschlitten (1) sind ein Spindelkasten (2) und eine Schleifscheiben-Abrichtvorrichtung (3) befestigt, deren Achse sich in einer Richtung senkrecht zur Achse des Spindelkastens (2) erstreckt. Die Bewegung des Querschlittens (1) wird durch eine X-Achsen-Vorschubspindel (5) gesteuert, die durch einen Servomotor (4) antreibbar ist. Der Spindelkasten (2) weist eine Spindel (8) auf, die in dem Spindelkasten über Lager drehbar gelagert ist. Ein Spannfutter (6) ist auf das vordere Ende der Spindel (8) aufgesetzt, während das hintere Ende der Spindel (8) mit einem Servomotor (7) verbunden ist, um von diesem um die Achse (C) angetrieben zu werden. Die Schleifscheiben-Abrichtvorrichtung (3) weist einen Befestigungskasten (9) und eine in diesem Befestigungskasten (9) über Lager drehbar gelagerte Spindel (11) auf. Das hintere Ende der Spindel (11) ist mit einem Servomotor (10) verbunden, um von diesem um eine Achse (B) angetrieben zu werden. Am vorderen Ende der Spindel (11) ist ein L-förmiger Diamanthalter (13) angeordnet, auf dem ein Diamantwerkzeug (12) derart befestigt ist, daß es sich in eine Richtung senkrecht zur Mittelachse der Spindel (11) erstreckt. Der Diamanthalter (13) ist derart ausgebildet, daß seine Position in der Richtung einstellbar ist, in der sich das Diamantwerkzeug (12) erstreckt. Auf der rechten Seite des Maschinenbettes ist ein Tisch (14) gegenüberliegend zum Spindelkasten (2) angeordnet. Der Tisch (14) ist derart ausgebildet, daß er in Richtung der Z-Achse, das heißt in Richtung der zugehörigen Spindel beweglich ist, und die Bewegung des Tisches (14) wird über eine Z-Achsen-Vorschubspindel (16) gesteuert, die von einem Servomotor (15) antreibbar ist. Ein Hochfrequenzmotor (17) ist auf dem Tisch (14) derart befestigt, daß die Mittelachse des Motors (17) mit der Achse (Z) ausgerichtet ist. Die Abtriebswelle des Motors (17) ist einstückig mit einem Ende eines Schleifscheibenschaftes ausgebildet, und eine Schleifscheibe (19) ist auf dem anderen Ende des Schaftes (18) befestigt. Ein Systemprogramm zum Abrichten der Schleifscheibe wird anhand der Ablaufdiagramme nach den Fig. 6 bis 8 beschrieben.

Im Schritt S 1 werden Parameter für die verschiedenen Spezifikationen oder Daten eines einen schraubenförmigen Abschnitt oder ein Gewinde einschließenden Bauteils eingegeben, das maschinell bearbeitet werden soll, wie zum Beispiel die folgenden Spezifikationen: L = die Steigung des Gewindes, R = der Radius des gotischen Bogens, F = der Versetzungswert des gotischen Bogens, D₀ = der Radius der Kugelschraube und G = Einwirk-Anfangswinkel.

Im Schritt S 2 wird ein Programm PR 1 zur Berechnung der Anfangsform der Schleifscheibe ausgeführt. Das heißt, im Schritt S 21 werden die Datensätze für die Parameter L, R, F, D₀ und G, die im Schritt S 1 eingegeben wurden, gelesen.

Im Schritt S 22 werden die folgenden Berechnungsparameter berechnet:

Der Steigungswinkel α:

α = tan^-1 {L/(π D₀)}

Der Abstand D _x vom Mittelpunkt der Kugeln der Kugelspindel bis zum Boden der Spindel:

Der Durchmesser D, der dem Einwirk-Grenzwinkel entspricht:

D = D₀ + 2 D _x sin G

Die Differenz X _D im Radius zwischen D und D₀:

X _D = (D - D₀)/2

Im Schritt S 23 werden, um die maschinelle Bearbeitung unter Verwendung eines üblichen Innen-Schleifwerkzeuges durchführen zu können, Berechnungen durchgeführt, um die Gewinde-Nut-Konfiguration auf einem Querschnitt senkrecht zur Achse des Gewindes zu erzielen, sodaß die Form des Schleifrades auf der Grundlage der Gewindenut-Form bestimmt werden kann:

N = (sin α)/D + (π/L) cos α
τ = 2 MN

Aus diesen Berechnungen werden die Koordinaten (D, τ ) der Ortskurve des Gewindes auf einem Querschnitt senkrecht zur Achse der Schraube berechnet. In diesen Berechnungen wird der Wert (E) gemäß Fig. 5 unter Bezugnahme auf die in den Fig. 4 und 5 gezeigten Beziehungen berechnet:

E = C₁ + C₂
C₁ = M sin α
C₂ = B/tan γ = M cos α/tan {tan^-1 (L/π D)}
= {(M π D)/L} cos α
∴ E = M {sin α + (π D/L) cos α}

τ wird aus der in Fig. 4 gezeigten Beziehung berechnet. Weil E ein Bogen ist, ist:

τ/(2π) = E/( π D)
∴π = 2 E/D

wenn

N = (sin α)/D + ( π/L) cos α,
τ = 2 M {(sin α)/D + ( π/L) cos α}
= 2 MN

Im Schritt S 24 wird der Krümmungsradius ρ an den Koordinaten (D, τ ) in der folgenden Weise berechnet:

T _d = -(2 M sin α)/D² - {(X _d + F)}N/(M + F)

worin T _d = d τ/d R

X _d = ½ (cos τ - DT _d sin τ )
X _d = ½ (sin t + DT _d cos τ )

worin X _d = dX/dD, X = D/2 · cos τ
Y _d = dY/dD, Y = D/2 · sin τ
T _{d 2} = d²τ/dD²

Andererseits werden Q₁, Q₂ und Q₃ wie folgt definiert:

Q₁ = [-1/{2(M + F)} - (X _D + F)²/{2(M + F)³}] · N
Q₂ = {(X _D + F)/(M + F)} · (sin α )/D²
Q₃ = {4(M + F) sin α}/D³
T _{d 2} = Q₁ + 2 Q₂ + Q₃
X _{d 2} = -(T _d sin τ)/2 - Y _dT_d - (DT _{d 2} sin τ)/2
Y _{d 2} = (T _d cos τ )/2 + X _dT_d + (DT _{d 2} cos τ)/2

worin X _{d 2} = d²X/dD²
Y _{d 2} = d²Y/dD²

ρ = (X _d² + Y _d²)^3/2/(X _{d 2} Y _d + X _dY_{d 2} )

In Schritt S 25 werden der Anfangsdurchmesser (D _max ) der Schleifscheibe und die anfängliche Breite (W _max ) der Schleifscheibe in der folgenden Weise berechnet.

Der Tangentialwinkel (K _T) der Ortskurve des Gewindes auf dem Querschnitt senkrecht zur Achse der Schraube wird wie folgt ausgedrückt:

K _T = tan^-1 {-(X _d/Y _d))}

worin K _T ≧ 0

K _T = tan^-1 {-(X _d/Y _d)} - π

worin K _T < 0

Der Winkel ( δ ), der zwischen einer Linie von dem Mittelpunkt des Werkstückes zu (D, τ ) und einer weiteren Linie von dem Mittelpunkt der Schleifscheibe zu (D, τ ) gebildet wird, ist:

δ = K _T - τ

Der Abstand (P) zwischen dem Mittelpunkt des Werkstückes und dem Mittelpunkt der Schleifscheibe ist:

Der Anfangs-Schleifscheibendurchmesser (D _max) und die anfängliche Schleifscheibenbreite (W _max) werden durch die folgenden Beziehungen ausgedrückt:

D _max = D₀ + 2(D _x - P)
W _max = 2 D _x

Im Schritt S 26 werden

D _max = Anfangsschleifscheibendurchmesser
W _max = Anfangsschleifscheibenbreite

an eine Bildschirm-Anzeigeeinheit als Ausgangssignal abgegeben, um von dieser dargestellt zu werden. Die Bedienungsperson setzt unter Beachtung dieser angezeigten Werte eine Schleifscheibe mit diesen Abmessungen in die Schleifvorrichtung ein. Wenn diese Datenausgabe und Darstellung abgeschlossen wurde, wird die Ausführung der Subroutine (PR 1) beendet. Das Programm kehrt zu S 3 zurück, wo ein Programm (PR 2) zur Berechnung der Abrichtdaten ausgeführt wird.

Dies bedeutet, daß im Schritt S 31 die Daten für L, R, F, D₀ und D _max, die im Schritt S 1 eingegeben wurden, gelesen werden.

Im Schritt S 32 werden verschiedene Berechnungsparameter aus den folgenden Gleichungen berechnet:

α = tan^-1 {L/(π D₀)}

P = D₀/2 + D _x - D _max/2

Im Schritt S 33 werden Anfangseinstelldaten in der folgenden Weise festgelegt:

Die Anzahl J auf der Abrichtortskurve zu berechnenden Punkte:

J = 180

Die Variable D _s, die mit D₁ zu vergleichen ist:

D _s = 10 000

Im Schritt S 34 wird die folgende Deklaration von Datenfeldern durchgeführt:

Während einer biaxialen Steuerung (unter Verwendung des Abrichtwerkzeug-Drehwinkels R₂ und X₂):

R₂(J) und X₂(J)

Während triaxialer Steuerung (unter Verwendung des Abrichtwerkzeug-Drehwinkels R₃, X₃ und Z₃):

R _{3(J), X 3} (J) und Z₃(J)

Im Schritt S 35 sind die Berechnungen J + 1mal von I = 0 bis I = J zu wiederholen.

Im Schritt S 36 werden die Koordinaten (D, τ ) der Ortskurve des Gewindes auf einem Abschnitt senkrecht zur Achse der Schraube in einer Weise berechnet, die ähnlich der des Schrittes S 23 ist, wobei die folgenden Gleichungen verwendet werden:

D = D + 2 D _x cos {(π I)/(2 J)}
X _D = (½) (D - D₀)

N = (sin α )/D + ( π/L) cos α
τ = 2 MN

Im Schritt S 37 wird der von einer Linie vom Mittelpunkt des Werkstückes zu (D, τ ) und einer weiteren Linie von dem Mittelpunkt der Schleifscheibe zu (D, τ ) zu bildende Winkel ( δ ) unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet:

T _d = -{(2 M sin α )/D²} - (X _D + F)N/(M + F)
X _d = (½) (cos τ - DT _d sin τ )
Y _d = (½) (sin τ + DT _d cos τ )
K _T = tan^-1 {-(X _d/Y_d)}

worin K _T ≧ 0

K _T = tan^-1 {-(X _d/Y_d)} + π

worin K _T < 0

δ = K _T - τ

Im Schritt S 38 erfolgt eine Festlegung, ob eine Schaltflagge F _L gleich 1 ist (das heißt F _L = 1), um festzulegen, ob ein Satz von Berechnungsgleichungen geändert werden muß oder nicht. Zwischen den Punkten (a) und (b) nach Fig. 9 ist F _L = 0, während zwischen den Punkten (b) und (c) F _L = 1 ist.

Wenn die Antwort NEIN ist, so wird der Schritt S 39 ausgeführt, in dem die Koordinaten des Umrisses der Schleifscheibe zwischen den Punkten (a) und (b) unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet werden:

W = ( τ - ε ) · L/2 π

Der Punkt (b) ist der Punkt, an dem der Durchmesser (D₁) der Schleifscheibe das Minimum in den Gleichungen zwischen den Punkten (a) und (b) nach Fig. 9 ist.

Im Schritt S 40 wird festgestellt, ob D₁ < D _s ist. Wenn die Antwort JA ist, so wird die Flagge F _L im Schritt 41 auf 1 gesetzt und dann wird der nächste Schritt S 42 ausgeführt. Die Ausführung des Schrittes S 42 folgt der Festlegung nach Schritt S 38, wenn die Anwort auf die Frage von S 38 JA ist.

Im Schritt S 42 wird der Krümmungsradius δ an den Koordinaten (D, τ ) unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet:

Q₁ = [-1/{2(M + F)} - (X _D + F)²/{2(M + F)³}] · N
Q₂ = {(X _D + F)/(M + F)} · (sin α )/D²
Q₃ = {4(M + F) sin α}/D³
T _{d 2} = Q₁ + 2 Q₂ + Q₃
X _{d 2} = -(T _d sin τ)/2 - Y _dT_d - (DT _{d 2} sin τ )2
Y _{d 2} = (T _d cos τ )/2 + X _dT_d + (DT _{d 2} cos τ)/2
ρ = (X _d² - Y _d²)^3/2/(X _{d 2} Y _d - X _dY_{d 2})

Im Schritt S 43 werden die Koordinaten des Umrisses der Schleifscheibe zwischen den Punkten (b) und (c) nach Fig. 9 unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet:

D₁ = 2 ρ
ε _R = tan^-1 · {(p sin δ)/{(D/2) - ρ cos δ}}
W = (τ - ε _R)L/2π

Auf diese Berechnung folgt die Ausführung des Schrittes S 44.

Wenn die Antwort auf die Frage im Schritt S 40 NEIN ist, so wird der Schritt 45 ausgeführt, worin D _s = D₁ ist, und hierauf folgt die Ausführung des Schrittes S 44.

Im Schritt S 44 werden die Koordinaten für die triaxiale Steuerung in der folgenden Weise berechnet:

X₃ (I) = ½ · (D _max - D₁)
Z₃ (I) = W
R₃ (I) = tan^-1 (X₃/Z₃)

Im Schritt S 46 werden die Koordinaten für eine biaxiale Steuerung in der folgenden Weise berechnet:

Im Schritt S 47 wird eine Feststellung getroffen, ob X₃ < D _x ist oder nicht. Wenn die Antwort NEIN ist, so wird I auf I + 1 (I = I + 1) gesetzt. Dann kehrt das Programm auf den Schritt S 35 zurück. Wenn andererseits die Antwort JA ist, so wird festgestellt, daß der Punkt (c) erreicht wurde. Hierauf folgt die Beendigung der Ausführung der Subroutine (PR 2) und die Rückkehr zum Schritt S 4.

Im Schritt S 4 werden die so berechneten Daten in einem Speicher gespeichert. Für eine biaxiale Steuerung werden die Drehwinkeldaten R₂ und die X-Achsendaten X₂ des Abrichtwerkzeuges gespeichert. Für eine triaxiale Steuerung werden die X-Achsendaten X₃, die Z-Achsendaten Z₃ und die Drehwinkeldaten R₃ des Abrichtwerkzeuges gespeichert.

Im Schritt S 85 wird eine Ansicht der Ortskurve für die Abrichtung an die Anzeigeeinheit abgegeben.

Im Schritt S 6 betrachtet die Bedienungsperson die Darstellung der Ortskurve auf der Anzeigeeinheit und prüft diese, um festzustellen, ob die Ortskurve richtig ist. Wenn festgestellt wird, daß die Ortskurve richtig ist, so wird der Schleifscheibenabrichtvorgang gestartet. Wenn die Antwort auf den Schritt S 6 NEIN ist, so kehrt das Programm zum Schritt S 1 zurück, und die Schritte S 1 und folgende werden wiederholt.

Weil erfindungsgemäß die Form der Schleifscheibe in der vorstehend beschriebenen Weise abgerichtet wird, kann der Vorschub für den Bearbeitungsvorgang ausgeführt werden, während sich die Achse der Schleifscheibe parallel zur Achse der Schraube erstreckt. Diese ermöglicht die maschinelle Bearbeitung der Steigung einer einen kleinen Durchmesser und eine tiefe Nut aufweisenden Innengewindeschraube, wie sie beispielsweise bei einer mit einer Kugelspindel zusammenwirkenden Kugelmutter erforderlich ist. Weiterhin ist, weil ein Mechanismus zum Kippen der Schleifscheibe nicht erforderlich ist, der gesamte Aufbau der Maschine sehr einfach. Es kann eine übliche numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine verwendet werden, um Steigungen einer Schraube maschinell zu bearbeiten, wobei nur Änderungen in dem numerischen Steuerprogramm durchgeführt werden müssen.

Claims

Verfahren zur maschinellen Bearbeitung eines Bauteils, das einen schraubenförmigen Abschnitt aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte des:
- - Abrichtens der Form eines Werkzeuges, das entsprechend der Gewindenut-Form des schraubenförmigen Abschnittes des zu bearbeitenden Bauteils vorspringt, der auf einem Querschnitt senkrecht zur Achse des schraubenförmigen Abschnittes liegt,
- - Ausrichtens der Achse des Werkzeuges parallel zur Achse des zu bearbeitenden schraubenförmigen Abschnittes und
- - maschinellen Bearbeitens der betreffenden Oberfläche des schraubenförmigen Abschnittes durch Bewegen des Werkzeuges relativ zu dem schraubenförmigen Abschnitt, während die Achse des Werkzeuges parallel zur Achse des schraubenförmigen Abschnittes des Bauteils gehalten wird.