DE4431764A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstückes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstückes, insbesondere eines gehärteten Werkstückes, unter Verwendung einer Drehmaschine, die nicht-rotierende Zentren zum Abstützen des zu bearbeiten­ den Werkstückes hat.

Viele mechanische Teile werden zunächst aus Stahl oder einem ähnlichen Material gepreßt oder geschmiedet wonach der geschmiedete Teil maschinell bearbeitet und in seine endgültige Form gebracht wird. Üblicherweise wird ein solches Teil vor einer Härtungs-Wärmebehandlung bearbeitet, um seine Lebensdauer und seine Arbeits­ funktion zu verlängern. In diesen Fällen war es üblich, eine kegelige Zentrierbohrung in dem Werkstück anzubringen, welche ein Zentrierwerkzeug aufnimmt zum Ab­ stützen des Teiles an einem Zentrierzentrum einer Drehmaschine oder einer Dreh­ bank. Die Abstützzentren oder Zentrierzapfen werden dann üblicherweise mit hoher Drehzahl zum Drehen des Teiles gedreht. Danach, um die Kosten eines Teiles zu reduzieren, wurde das noch unbearbeitete Werkstück mit einer konischen Zentrier­ bohrung geschmiedet zur Aufnahme der Zentrierzapfen. Bei der nachfolgenden Maschinenbearbeitung wurde festgestellt, daß das Einhalten sehr genauer Toleranzen bei einem bearbeiteten Werkstück schwierig ist, wegen ungenau hergestellter oder geschmiedeter Zentrierbohrungen in dem Werkstück, was bei der maschinellen Bearbeitung und bei der Rotation des Werkstückes zum schlagen führen kann. Es wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen, die Genauigkeit der maschinellen Bearbeitung zu verbessern und die Schwierigkeiten ungenauer kegeliger Zentrierboh­ rungen zu vermeiden, die zum Halten des zu bearbeitenden Werkstückes benutzt werden. Insbesondere kann die Form der Zentrierbohrung dazu führen, daß ein unbearbeitetes Werkstück sich wegen Verformungen verstellt, die in der Zentrierboh­ rung auftreten.

Obwohl die Form der Zentrierbohrung geschmiedet oder spannabhebend bearbeitet in einem Werkstück die Bearbeitung des Werkstückes mit hoher Genauigkeit erleichtern kann, wurde gefunden, daß die Drehbank oder Drehmaschine bei der Bearbeitung eines Werkstückes selbst zu unannehmbaren Ungenauigkeiten im fertigen Teil beitragen kann. Drehbänke oder Drehmaschinen haben typischer Weise mitlaufende Spitzen, die sich in einem Lager drehen. Diese mitlaufenden Spitzen halten ein Werkstück zur Drehung um eine Achse und sie sind mit dem Werkstück verbunden und werden um die Achse angetrieben, um das Werkstück zu drehen. Solche mitlaufenden Spitzen tragen zu einem exzessiven Auslaufen bei einem fertig bearbeiteten Teil bei, verursacht durch die Lager, in welchen die rotierenden Spitzen gelagert sind. Diese Fehler summieren sich bei kontinuierlichem Gebrauch der Drehmaschine mit fortgesetzter Abnutzung der Lager, die die Spitzen abstützen, beispielsweise eine wenn eine Drehmaschine eine Zeitlang benutzt worden ist, auf einen Mindest-Schlag oder ein Auslaufen in der Größenordnung von etwa 0,05 bis 0,75 mm. In komplexen bearbeiteten Teilen wie z. B. Hypoid-Zahnrädern will man im fertig bearbeiteten Teil Toleranzen von etwa 0,025 mm beispielsweise erreichen. Die Herstellung eines fertigen Teiles umfaßt typischer Weise die maschinelle Bearbeitung eines unbehandelten geschmiedeten Werkstückes, das dann einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um das Material zu härten. Nach der Wärmebehandlung führt ein Versuch, das Werkstück auszurichten eher noch zu einer stärkeren Biegung oder zu einem Schlag im Werkzeug anstatt zu der gewünschten Ausrichtung insbesondere wenn der Anfangsschlag in dem bearbeiteten Teil größer ist als die erforderlichen Toleranzen.

Es wurde ferner gefunden, daß eine Wärmebehandlung eines maschinell bearbeiteten Teiles nach der Bearbeitung zusätzliche Fehler erzeugen kann, was zu einer nicht aktzeptablen Qualität des Werkstückes führt. Es ist daher erwünscht, die Wärmebehandlung bzw. des Härten des Werkstückes vor der mechanischen Bearbeitung auszuführen, um solche Fehler zu vermeiden. Üblicherweise erfordert eine Fertigbearbeitung nach dem Härten einen Schleifvorgang auf einer Schleifmaschine, da Werkzeuge zum spannabhebenden Bearbeiten eines gehärteten Teiles auf einer Drehbank nicht verfügbar sind. Nach der Entwicklung von Werkzeugen wie z. B. Schneidwerkzeugen aus Keramik oder kubischem Bohr-Nitrid in Verbindung mit einer Drehmaschine, ist es nun möglich, gehärtete Teile entsprechend zu drehen. Das Drehen von gehärteten Teilen reduziert die Kosten. Im Vergleich zum Schleifen und es ist daher erwünscht, wenn die oben genannten Probleme des Schlagens oder Aus­ laufens überwunden werden können.

Die Erfindung betrifft nun eine Drehmaschine zum Herstellen eines Werkstückes mit minimalen Schlagfehlern oder Auslauffehlern. Die Erfindung betrifft ferner ein Ver­ fahren zur maschinellen Bearbeitung eines gehärteten Werkstückes in einem Dreh­ prozeß. Die Vorrichtung umfaßt ein Paar nicht-mitlaufender Spitzen zum Abstützen eines Werkstückes längs einer Achse. Die Spitzen haben eine vorgegebene gebogene Außenfläche und ein Teil dieser Außenfläche tritt in Eingriff mit den Zentrierausneh­ mungen, die in den Enden des Werkstückes in vorgegebener Weise ausgebildet worden sind, um eine große radiale Haltekraft auszuüben und doch eine Erwärmung durch Reibung zu reduzieren. Ein Kanal kann sich durch die Spitzen bis zur Nase erstrecken, durch welchen ein Schmiermittel durchgeleitet werden kann, um eine Reibungserwärmung weiterhin zu reduzieren. Alternativ können die Spitzen mit einem Anti-Reibungsbelag versehen sein. Die Vorrichtung hat ferner Mittel, um das Werk­ stück in vorgegebener Drehzahl zu drehen, um es maschinell bearbeiten zu können.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Werkstück aus einem vorgegebenen Material geformt, wobei das Werkstück zwei Enden mit zentrischen speziell geform­ ten unbearbeiteten Ausnehmungen hat. Die Ausnehmungen nehmen nicht-mitlaufen­ de Spitzen einer Drehmaschine auf. Das Werkstück wird dann gehärtet und dann auf den Spitzen der Drehmaschine mit Hilfe dieser Ausnehmungen angeordnet. Danach wird das Werkstück mit vorgegebener Drehzahl um eine Achse auf den nicht-mit­ laufenden Spitzen gedreht und die maschinelle Bearbeitung durchgeführt, um ein fertiges Teil herzustellen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 in Seitenansicht eine Drehmaschine nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt vergrößert die Zentrierpunkte und das Werkstück nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Zentrierspitze nach der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Zentrierspit­ ze.

Fig. 5 zeigt die Zentrierspitze angeordnet in einer Zentrieraus­ nehmung eines Werkstückes.

Fig. 6 zeigt schematisch in Draufsicht die Drehmaschine.

Eine Drehmaschine 10 zum Bearbeiten eines Werkstückes 12 ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Das Werkstück 12 ist durch Schmieden oder eine andere geeignete Methode hergestellt. Beispielsweise ist das Werkstück 12 aus Stahl geformt, das einer Wärmebehandlung unterzogen worden ist, um das Material in einer gewünsch­ ten Härte zu härten, es kann aber auch noch ein Rohling sein, der nicht gehärtet ist. Die Drehmaschine 10 hat allgemein einen Spindelstock 14, der Einrichtungen enthält zum Antreiben eines Werkstückes wie z. B. äußere Spindelantriebszapfen 16, die um ein Zentrierzentrum 18 angeordnet sind. Die Vorrichtung umfaßt ferner einen Reit­ stock 20, der auf einem axial beweglichen Schlitten 22 montiert ist, der sich auf gehärteten Bahnen 24 bewegt, zur Anpassung an unterschiedlich große Werkstücke 12. Eine weitere Zentrierspindel 26 ist am Reitstock 20 abgestützt und wird zu­ sammen mit der Zentrierspindel 18 benützt, um das Werkstück 12 zwischen beiden zu halten. Ein Werkzeugschlitten 28 kann zur Bearbeitung des Werkstückes 12 verwendet werden unter Verwendung eines nicht gezeigten Schneidwerkzeuges, während das Werkstück 12 mit hoher Drehzahl rotiert.

Um ein Werkstück 12 mit hoher Genauigkeit zu bearbeiten, um ein fertiges Teil innerhalb vorgegebener Toleranzen zu erzeugen, ist das Werkstück 12 auf Zentrierspindeln 18 und 26 angeordnet, die speziell geformt sind, um einen Schlag im fertigen Teil weitgehend zu reduzieren. Die Antriebszapfen 16 greifen in Antriebsbohrungen 30 im Werkstück 12 ein, um dieses zu drehen oder es können auch andere geeignete Antriebe vorgesehen werden. Das Werkstück 12 hat ferner eine Zentrierbohrung 32 an jedem Ende, in welche die Spindeln 18 und 26 eingreifen, um das Werkstück zu halten. Die Zentrierbohrungen 32 im Werkstück 12 können Seitenwände mit einem vorgegebenen Radius oder gerade Seitenwände aufweisen oder sie können eine dreiflügelige Gestalt haben. Die Spitzen 18 und 26 können aus einem Kohlenstoffstahl bestehen und wenn sie in die Ausnehmungen 32 im Werkstück 12 eingesetzt sind, üben sie eine vorgegebene radiale Kraft auf das Werkstück 12 aus.

Die Zentrierspitzen 18 und 26 laufen während des Arbeitsprozesses nicht mit dem Werkstück um, sie sind feststehend in ihrer Position und bilden die Halterung, auf und um die das Werkstück 12 rotiert wird. Das Werkstück 12 wird normalerweise mit hohen Drehzahlen gedreht, die 1000 Umdrehungen je Minute übersteigen und die Verwendung von feststehenden Spitzen an der Drehmaschine 10 erfordert eine Reduzierung der Reibung zwischen den Zentrierbohrungen 32 des Werkstückes und den Spitzen 18 und 26, um eine Reibschweißung der feststehenden Spitzen 18 und 26 zu vermeiden. Die bisher in Drehbänken verwendeten mitlaufenden Spitzen sind so gestaltet, daß sie in eine kegelige Standardausnehmung im Werkstück passen, wobei die Ausnehmung einen Winkel von 60° umschließt. Bei Verwendung von feststehenden Spitzen 18 und 26 wurde gefunden, daß die Form der Außenfläche von Bedeutung ist, um einen reduzierten Schlag oder ein Auslaufen des Werkstückes zu erreichen und eine übermäßige Erwärmung oder Reibungsschweißung zu vermeiden. Wie Fig. 3 zeigt, haben die mitlaufenden Spitzen 18 oder 26 einen zylindrischen Schaft 40 und eine Außenfläche 42 mit einer gekrümmten kegelstumpfförmigen Gestalt mit einem eingeschlossenen Winkel im Bereich von 30° bis 50°, wobei ein Winkel von 40° die besten Ergebnisse bringt. Die Anordnung der Spitzen 18 oder 26 in einer Zentrierbohrung eines Werkstückes ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Formen der Kontaktwinkel üben eine große radiale Haltekraft auf das Werkstück aus, um ein axiales Auslaufen (runout) zu reduzieren durch Aufrechterhalten der richtigen Laufausrichtung des Zentrums im Werkstück unter allen Arbeitsbedingungen. Durch Ausbildung der Kontaktfläche 42 in dieser Weise sind auch eine gute Abstützung des Werkstückes ermöglicht mit geringerer Kraft, um eine Reibungserwärmung zu reduzieren, die bei der Drehung des Werkstückes auftritt. Wie Fig. 5 zeigt, führt der Kontakt der Spitzen 18 oder 26 in einer Zentrierausnehmung mit einem eingeschlossenen Winkel im Bereich von 60° bis 75°, vorzugsweise einem Winkel von 67°, zu einer stark reduzierten Reibungserwärmung, wobei das Werkstück in einer Weise abgestützt wird, in der ein axialer Schlag oder ein Auslaufen bei der maschinellen Bearbeitung auf einem Minimum gehalten wird. Die Zentrierung ermöglicht, ferner eine minimale Abstützkraft am Reitstock der Drehmaschine, wobei mit so geringen Abstützkräften wie z. B. 70 bis 90 kp gute Ergebnisse erreicht wurden.

Diese Ausbildung der Zentrierzentren führt zu ausgezeichneten Ergebnissen ohne eine Schmierung zwischen der Zentrierspindel und der Bohrung im Werkstück, wobei jedoch eine Schmierung erwünscht sein kann, um die Reibungserwärmung weiter zu reduzieren. Wie Fig. 3 zeigt, kann die Spitze einen zentralen Kanal 45 haben, der sich durch den Körper der Spitze erstreckt und zur Nase 44 führt. Der Kanal 46 ist an eine Versorgung mit Schmiermittel angeschlossen, das in die Zentrierbohrung des Werkstückes zwischen der Zentrierspindel 18 oder 26 eingeführt wird, um Schmiermittel zu der Kontaktfläche 42 der Zentrierspitze 18 oder 26 zu bringen.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Spitze 18 oder 26 mit einem harten Anti-Reibungsbelag 48 versehen sein, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Der Belag 48 kann von jeder gewünschten Dicke sein, abhängig von der Art des Werkstückes und er kann auf die Oberfläche mittels jeder geeigneten Beschichtungsmethode aufgebracht sein. Eine Titan- oder Molybdänsulfidschicht ist geeignet als Anti-Reibungsschicht 48 und kann benutzt werden, um weiterhin die Reibungserwärmung der feststehenden Zentrierspindel allein oder in Verbindung mit der oben genannten Schmierung herabzusetzen.

Bei dem Verfahren zur Bearbeitung eines gehärteten Werkstückes wird ein unbe­ arbeitetes Werkstück aus einem Material geformt, das entsprechend seinem endgülti­ gem Gebrauch ausgewählt wird. Für ein Antriebsritzel beispielsweise eignet sich z. B. Stahl SAE8620. Das unbearbeitete Werkstück wird zunächst mit zwei Enden geschmiedet, von denen jedes eine Zentrierbohrung hat wie z. B. eine dreiflügelige Bohrung wie in dem US-Patent Nr. 5,135,810 gezeigt ist. Die Zentrierbohrungen nehmen die feststehenden Zentrierspindeln der Drehbank auf. Das Werkstück kann nach Wunsch einem Glühprozeß unterzogen werden, z. B. einem isothermischen atmosphärischen Glühprozeß. In einem solchen Verfahren wird das Werkstück erwärmt und oberhalb einer kritischen Temperatur über eine vorgegebene Zeitspanne gehalten. Das Werkstück wird dann unter die kritische Temperatur in einer Schutz- Atmosphäre abgeschreckt, z. B. in einer natürlichen Gasatmosphäre. Nach dem Glühen oder einfach nach dem Schmieden des Teiles kann der Teil weich bearbeitet werden und es können Zähne beispielsweise für ein Zahnrad eingeschnitten werden, wie die Zeichnung darstellt. Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung eignen sich besonders bei der Bearbeitung gehärteter Teile mit einer Härte oberhalb von Rockwell "C" 50. Das Werkstück wird einer Wärmebehandlung unterzogen, in der es erneut über eine kritische Temperatur erhitzt und danach in einer geeigneten Flüssigkeit in bekannter Weise abgeschreckt wird. Das gehärtete Werkstück wird auf den Zentrierspindeln der Drehmaschine mittels der Zentrierbohrungen angeordnet, derart, daß das Werkstück relativ zu den feststehenden Zentrierspindeln drehbar ist. Das Werkstück wird dann mit vorgegebener Drehzahl um eine Mittelachse gedreht und bearbeitet, um ein fertiges Teil zu schaffen.

Bei der vorbeschriebenen Methode wird das Werkstück vor der maschinellen Be­ arbeitung gehärtet was die Verwendung von Schneidwerkzeugen aus Keramik oder kubischem Bohrnitrid bedingt. Wie Fig. 6 zeigt kann eine beispielsweise Drehma­ schine einen oder mehrere Werkzeughalter 50 aufweisen, von denen jeder eines oder mehrere Werkzeuge besitzt, die auf dem Halter montiert sind, um das Werkstück 12 zu bearbeiten. Beispielsweise kann der Werkzeughalter 50 ein erstes Werkzeug 54 aufweisen, das wie die Figur zeigt, sich nicht in einer Arbeitsposition bezüglich dem Werkstück 12 befindet. Im Betrieb wird der Werkzeughalter 50 in eine vorgegebene Position relativ zum Werkstück 12 zum Bearbeiten des letzteren gebracht. Die Steuerung des Werkzeughalters 50 und ebenso die Steuerung des auf diesem an­ geordneten Werkzeuges wird vorzugsweise mittels einer numerischen Computer­ steuerung durchgeführt. Die Verwendung einer solchen numerischen Steuerung in Verbindung mit der Drehmaschine 10 ermöglicht wiederholbare genaue Ergebnisse bei der maschinellen Bearbeitung. Die Schmierung der Zentrierspindeln kann ebenfalls in der Maschine automatisch gesteuert werden.

Das Werkstück 12 wird in richtiger Position und Flucht mittels der feststehenden Spitzen 18 und 26 der oben beschriebenen Art gehalten und das Werkstück 12 wird mittels einer äußeren Antriebsanordnung 60 rotiert, welche in das Werkstück 12 eingreift und dieses mit hohen Drehzahlen auf den feststehenden Spitzen 18 und 26 antreibt. Die Verwendung einer numerischen Steuerung und die verbesserten Spitzen 18 und 26, die in der Drehmaschine 10 verwendet werden, ermöglichen die maschi­ nelle spannabhebende Bearbeitung von gehärteten Teilen mit stark reduziertem Schlag oder Auslauf, um fertig bearbeitete Teile zu erzeugen mit spezifischen Tole­ ranzen und mit hohem Genauigkeitsgrad. Beispielsweise erlauben die feststehenden Spitzen die Einhaltung eines Schlages oder Auslaufs von weniger als 0,005 mm. Die Verwendung feststehender Spitzen vermeidet ferner Probleme beim Verschleiß von Lagern wie sie in Verbindung mit mitlaufenden Spitzen verwendet werden, so daß die genannte Genauigkeit über längere Benutzungszeiten der Maschine aufrecht erhalten werden kann. Die Bearbeitung gehärteter Teile reduziert ferner die Fabrikationskosten gegenüber einer Schleifbearbeitung.

Obwohl die Bearbeitung von Werkstücken wie z. B. Hypoid-Zahnrädern beschrieben wurde, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung auch zur Bearbeitung von anderen gehärteten Teilen auch wenn ein reduzierter Schlag weniger von Bedeutung ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Drehen eines Werkstückes zum Bearbeiten des Werkstückes, um ein fertiges Teil zu erzeugen, gekennzeichnet durch ein Paar feststehender Zentrierspindeln zum Abstützen des Werkstückes längs einer Achse, daß die Zentrierspindeln längs eines Abschnittes eine gebogene äußere Oberfläche haben, die in Eingriff mit einer Ausnehmung im Werkstück in vorgegebener Weise tritt, daß die äußere Oberfläche einen Winkel zwischen etwa 30° und etwa 50° einschließt, um die Ausnehmung in vorgegebener Weise zu berüh­ ren, um eine Reibungserwärmung zwischen beiden zu reduzieren, ferner durch Mittel, um das Werkstück mit vorgegebener Drehzahl zu drehen, um es maschinell bearbeiten zu können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spindeln einen Kanal aufweist, der an einen Schmiermittelvorrat angeschlossen ist, und daß eine vorgegebene Menge des Schmiermittels durch den Kanal hindurch­ geführt wird, um den Abschnitt der äußeren Oberfläche zu schmieren, der in Kontakt mit der Ausnehmung im Werkstück steht, um die Reibung zwischen beiden zu reduzieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt der äußeren Oberfläche, der in Kontakt mit der Ausnehmung steht, mit einer Beschichtung aus einem reibungsarmen Material versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche der feststehenden Zentrierspindeln einen Winkel von etwa 40° umschließt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Werkzeughalter vorgesehen ist, der wenigstens mit einem Werkzeug ausgerü­ stet ist, daß dieser Werkzeughalter und dieses Werkzeug in eine Arbeits­ position relativ zum Werkstück bewegbar sind, um dieses zu bearbeiten, und daß die Steuerung der Bewegungen des Werkzeughalters und des Werkzeuges mittels einer numerischen Steuerung vorgenommen wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes mittels einer maschinellen Bearbeitung, gekennzeichnet durch folgende Arbeitsschritte:

• a) Bildung eines Werkstückes aus einem vorgegebenen Material, wobei das Werkstück zwei Enden hat und jedes Ende eine unbearbeitete Ausneh­ mung aufweist zur Aufnahme einer feststehenden Zentrierspindel einer Dreh­ maschine;
• b) Härten des Werkstückes wodurch das Material auf einen vorgegebe­ nen Grad gehärtet wird;
• c) Einbauen des Werkstückes auf die Zentrierspindeln mittels der Ausnehmungen, wobei das Werkstück relativ zu den feststehenden Zentrier­ spindeln drehbar ist;
• d) Drehen des Werkstückes mit vorgegebener Drehzahl um eine Achse; und
• e) Bearbeiten des Werkstückes, um ein fertiges Teil zu erzeugen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück durch einen Schmiede-Prozeß geformt wird, und daß in jedem seiner Enden eine der Ausnehmungen durch Schmieden hergestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schmiermittel durch die feststehenden Zentrierspindeln während der Rotation des Werk­ stückes hindurchgeleitet wird, um die Reibung zwischen den Spindeln und den unbearbeiteten Ausnehmungen zu reduzieren.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden Zentrierspindeln mit einem reibungsarmen Belag beschichtet sind, um die Reibung zwischen den Spindeln und den Ausnehmungen während der Rota­ tion des Werkstückes zu reduzieren.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung des Werkstückes mittels numerisch gesteuerten Werkzeugen vorgenommen wird.