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Diese Erfindung betrifft die Oberflächenbearbeitung
bei maschinell behandelten Teilen und betrifft sowohl innere als
auch äußere Oberflächen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die Oberflächen von Metallteilen, die
bislang durch ein Schleifverfahren oberflächenbearbeitet wurden, wurden
durch Messungen spezifiziert, die an den Teilen vorgenommen werden
können,
während diese
hergestellt werden.
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Typischerweise umfassten diese Messungen eine
Größentoleranz
an einer bestimmten Position entlang der Länge des Teils, eine zulässige Abweichung
in der Höhe
von Bergen zu Tälern
in der Oberfläche
bei einer Messung entlang einer einzelnen Linie entlang dem Teil,
die als Ra-Maß bekannt
ist, und das Tragverhältnis
der Berge und Täler
an einer oder mehreren Tiefen von den Bergen. Diese letzte Messung
muss eventuell zwischen einem maximalen und einem minimalen prozentualen
Anteil der Länge
der Linie liegen.
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Die Gesamtglätte wird oft durch den prozentualen
Anteil der Fläche
der Oberfläche
gemessen, der von einer üblichen
Tuschierlehre eingefärbt
wird.
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Wenn alles andere gleich ist, wird
erwartet, dass die Teile für
den vorgesehenen Zweck richtig funktionieren, vorausgesetzt, dass
die Messergebnisse der Produktionsteile innerhalb des Wertebereichs
liegen, den der Hersteller als akzeptabel definiert hat. Z. B. können Wertebereiche
für Oberflächenbearbeitungen
für Öffnungen
in Kraftstoffeinspritzvorrichtungen für Dieselmotoren und für die Kegel
für die
Synchronisierung von Gängen
bei Getriebeeinheiten definiert werden.
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Allgemein wurde die Oberflächenbehandlung
solcher Teile durch Schleifverfahren durchgeführt, die, obwohl sie oberflächlich betrachtet
eine sehr glatte Oberflächenbearbeitung
ergeben, in Wirklichkeit (auf Mikroebene) eine löchrige Oberfläche ergeben,
da die Entfernung des Metalls dadurch erreicht wird, dass jedes
Grießkorn
an der O berfläche der
Schleifscheibe mit der relativen Drehbewegung der Scheibe und des
Teils einen winzigen Teil des Metalls herausschleift. Der Kontakt
der Grießkörner mit
dem Metall ist relativ zufällig
und willkürlich,
da die Grießkörner nicht
einheitlich in ihrer Größe und Verteilung
sind, was dazu führt,
dass die Oberfläche eine
große
Zahl winziger Löcher
aufweist, die relativ zufällig über den
Bereich der Oberfläche
verteilt sind.
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Es ist vorgeschlagen worden, die
Schleifbearbeitung für
solche Teile durch Präzisionsdrehen
zu ersetzen, das manchmal als Hartdrehen bezeichnet wird. Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, durch die eine maschinelle Oberflächenbearbeitung erreicht wird,
die bis zu einem ersten Näherungswert
innerhalb des Bereichs liegt, der für das Teil definiert ist, wenn
es durch Schleifen bearbeitet wird. So können z. B. gedrehte Teile mit
Teilen verglichen werden, die mit herkömmlichen Verfahren hergestellt
sind.
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Wenn außerdem, wie es der Fall sein
kann, die Lebensdauer und/oder das Funktionieren bestimmter Teile
von der Art der Oberfläche
abhängt, die
durch das Schleifen geschaffen wird, trägt das erfindungsgemäße Verfahren
dazu bei, zu gewährleisten,
dass die Lebensdauer und/oder das Funktionieren dieser Teile, wenn
sie – z.
B. durch Hartdrehen – maschinell
bearbeitet werden, ähnlich
wie bei geschliffenen Teilen sind.
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Aus Ekstedt Terry: „Challenge
of Hard Turning" Carbide
and Tool Journal, USA, Bridgeville, PA, Band 19, Nr. 5, September
1987 (1987-09), S. 21–24–24, ISBN:
01928333, ist ein Drehverfahren bekannt, bei dem ein Schneidwerkzeug
an der Oberfläche
eines drehenden Teils angreift, um eine Helix aus Metall davon zu
entfernen, als Ergebnis der Synchronisation der relativen Axialbewegung
des Werkzeugs und des Teils und der Drehung des Teils.
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Eine insgesamt ähnliche Offenbarung findet sich
in Hasan Rizwan: „Why
are you still grinding?", Manufacturing
Engineering, USA, Dearborn, MI, Band 120, Nr. 2, 1. Februar 1998
(1998-02-01), S. 76, 78–80.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein Drehverfahren zur Verfügung gestellt, bei dem ein
Schneidwerkzeug an der Oberfläche
eines drehenden Teils angreift, um eine Helix aus Metall davon zu
entfernen, als Ergebnis der Synchronisation der relativen Axialbewegung
des Werkzeugs und des Teils und der Drehung des Teils, dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens die Tiefe des Schnitts, der durch das Angreifen
des Werkzeugs an dem Teil erzielt wird, von einem Computer gesteuert wird,
der so programmiert ist, dass er die Tiefe des Schnitts in Intervallen
während
des Drehprozesses vergrößert, um
in der gedrehten Oberfläche
mehrere Vertiefungen zu schaffen, die einen unwesentlich kleineren
Krümmungsradius
als den der umgebenden gedrehten Oberfläche haben.
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Der Computer kann auch so programmiert sein,
dass er die Drehgeschwindigkeit des Teils steuert.
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Der Computer kann auch so programmiert sein,
dass er die relative Axialbewegung zwischen dem Werkzeug und dem
Teil steuert.
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Typischerweise wird das Werkzeug
axial relativ zu dem Teil bewegt, um den Angriffspunkt des Werkzeugs
an der Oberfläche
des Teils entlang der Länge
der Oberfläche
des Teils vorwärts
zu bewegen, wenn das Teil dreht.
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Vorzugsweise ist der Computer so
programmiert, dass die Drehung des Teils und die Axialbewegung des
Werkzeugs synchronisiert werden, so dass die Ortskurve des Angriffspunkts
des Werkzeugs an dem Teil eine Helix ist.
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Vorzugsweise ist die Axialbewegung
des Werkzeugs mit der Drehung des Teils so synchronisiert, dass
der Winkel der Helix so ist, dass das Werkzeug während jeder Umdrehung nur um
die Dicke seiner Schneidspitze vorwärts bewegt wird, so dass nicht
nur eine kontinuierliche Helix aus Metall von der Oberfläche des
Teils abgeschabt wird, wenn die maschinelle Bearbeitung fortschreitet,
sondern auch eine glatte Oberfläche
zurückbleibt.
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Wenn er erforderlich ist, dass das
Teil eine Verjüngung
aufweist, kann die Tiefe des Schnitts fortschreitend mit der axialen
Vorwärtsbewegung
des Werkzeugs relativ zu dem Teil vergrößert werden, jedoch wird die
sich vergrößernde Tiefe
des Schnitts im Normalfall weiterhin gesteuert, um eine glatte Oberfläche zu schaffen,
wenn auch von sich fortschreitend verringerndem Durchmesser.
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Die Programmierung des Computers
kann so sein, dass die Tiefe des Schnitts in Intervallen von regelmäßigem Abstand
vergrößert wird.
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Die zeitliche Abfolge der Intervalle
kann so sein, dass während
wenigstens einer teilweisen Umdrehung des Teils wenigstens eine
Vertiefung entsteht.
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Die zeitliche Abfolge kann so sein,
dass mehrere Vertiefungen bei jeder Umdrehung des Teils entstehen.
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Die zeitliche Abfolge der Intervalle
kann von einer Umdrehung zur nächsten
eingestellt werden, so dass Vertiefungen nicht parallel zur Achse
des Teils fluchten.
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Die zeitliche Abfolge der Intervalle
kann so gewählt
werden, dass ein regelmäßiges, zufälliges oder
pseudozufälliges
Muster an Vertiefungen in der Oberfläche des Teils entsteht.
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Jedes Intervall kann gleich lang
sein, so dass jede Vertiefung dieselbe Ausdehnung hat, oder es kann
eine Abweichung bei der Länge
jedes Intervalls eingeführt
werden, so dass die Vertiefungen von entsprechend unterschiedlicher
Größe sind.
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Bei einem bevorzugten Verfahren erstreckt sich
jedes Intervall über
mehrere aufeinander folgende Umdrehungen des Teils, so dass jede
daraus entstehende Vertiefung einen ringförmigen Bereich mit verkleinertem
Durchmesser aufweist.
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Der Übergang zwischen der gedrehten Oberfläche des
Teils und jeder dieser ringförmigen Vertiefungen
kann graduell erfolgen und selbst während mehr als einer Umdrehung
des Teils entstehen, indem der Computer so programmiert wird, dass
die Tiefe des Schnitts graduell während der einen Umdrehung oder
der mehreren Umdrehungen vergrößert wird,
während
denen der Übergang
stattfinden soll. Am anderen Ende einer solchen ringförmigen Vertiefung
kann das Computerprogramm so sein, dass die Tiefe des Schnitts in ähnlicher
gradueller Weise während
einer entsprechenden Anzahl von Umdrehungen des Teils verringert
wird, zurück
zu der Tiefe, die erforderlich ist, um die gedrehte Oberfläche des
Teils außerhalb
der ringförmigen
Vertiefung herzustellen.
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Wenn sich das Teil in seinem Gesamtdurchmesser
verjüngen
soll, muss dies bezüglich
der Befehle zur Tiefe des Schnitts, die das Programm während der Übergänge und
während
der Schaffung jedes ringförmigen
Bereichs mit verkleinertem Durchmesser generiert, berücksichtigt
werden, so dass der Durchmesser des Teils während des gesamten Drehvorgangs
fortschreitend verkleinert wird.
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Da die Vertiefungen lediglich Brüche in der ansonsten
glatten Oberfläche
sein sollen, die durch den Drehvorgang entsteht, muss die Tiefe
jeder Vertiefung relativ zu der umgebenden gedrehten Oberfläche im Regelfall
nur sehr gering sein. Radiusunterschiede wie zwischen der Basis
jeder Vertiefung und der umgebenden gedrehten Oberfläche können im Bereich
von 1 μm
oder weniger liegen. Wenn ein größerer Bruch
in der Oberfläche
gewünscht
ist, kann die Radiusdifferenz im Bereich von 2 oder 3 μm oder mehr
liegen.
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Abhängig von den Eigenschaften,
die von der fertigen Oberfläche
erwartet werden, kann der Computer so programmiert werden, dass
relativ kleine, aber relativ tiefe Vertiefungen pro Flächeneinheit der
Oberfläche
des Teils oder relativ große,
aber relativ flache Vertiefungen über dieselbe Oberfläche erzeugt
werden.
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Ebenso kann die Zahl der Vertiefungen
pro Flächeneinheit
der Oberfläche
des Teils eingestellt werden, um die gewünschten Eigenschaften der fertigen
Oberfläche
zu erreichen.
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Wenn die Spezifizierung der fertigen
Oberfläche
eine Anforderung an den Tragverhältnisvektor umfasst,
kann diese erfüllt
werden, indem die Änderungsrate
des Radius (des Durchmessers) an einem oder beiden Enden jeder Vertiefung
eingestellt wird, so dass der erforderliche prozentuale Anteil an
Material des Teils in den vorher bestimmten Tiefen relativ zu dem
Bergdurchmesser der gedrehten Oberfläche vorhanden ist.
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Wenn ein Prozentsatz einer Tuschierlehre erfüllt werden
muss, kann der Computer so programmiert werden, dass die Ausdehnung
der Vertiefungen relativ zu der restlichen Fläche der gedrehten Oberfläche des
Teils eingestellt wird, um eine genügend große Gesamtfläche der gedrehten Oberfläche vorzusehen,
die während
des Tuschiertests durch die Lehre tuschiert wird, relativ zu der
Gesamtfläche
der Vertiefungen, die normalerweise während des Tests nicht tuschiert
werden.
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Wenn es möglich sein soll, die fertige
Oberfläche
an jedem beliebigen Punkt ihrer Axiallänge zu testen, sollte das Programm
vorsehen, dass die Vertiefungen gleichmäßig über die Gesamtoberfläche des
Teils verteilt sind, um zu gewährleisten,
dass die an dem Teil vorgenommenen Messungen tendenziell gleich
sind, unabhängig
davon, wo sie vorgenommen werden.
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Wenn das Teil im Rahmen der Kontrolle
des Drehverfahrens geeicht werden soll, ist es wünschenswert, dass die exakten
Positionen der Vertiefungen und aller Übergänge zwischen Vertiefung und gedrehter
Hauptoberfläche
bekannt sind; zu diesem Zweck wird der Computer vorteilhafterweise
so programmiert, dass die Koordinaten der Vertiefungen und Übergänge oder
ein Algorithmus zu deren Erzeugung gespeichert werden, so dass eine
geeignete Korrektur am Ergebnis jedes gemessenen Werts von (z. B.)
dem Durchmesser oder der Position, an der das Eichmaß angesetzt
werden soll, vor dem Messschritt vorgenommen werden und das Eichmaß oder das
Teil entsprechend positioniert werden kann, bevor die Messung durchgeführt wird.
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Gemäß einem anderen Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist ein programmierter Computer vorgesehen,
der so programmiert ist, dass er die Durchführung eines Metallbearbeitungsverfahrens steuert,
das die Entfernung von Metall von einem drehenden Werkstück umfasst,
indem die Spitze eines Metallschneidewerkzeugs an diesem angreift,
wobei wenigstens deren Position von dem Computer gesteuert wird,
und diese als Ergebnis der synchronisierten relativen Bewegung zwischen
dem Werkzeug und dem Werkstück
auf diesem eine glatte, maschinell bearbeitete Oberfläche erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, dass das Programm dazu dient, die momentane
Position des Werkzeugs zu ändern,
um während
des maschinellen Bearbeitungsverfahrens mehrere voneinander beabstandete
Vertiefungen in der ansonsten glatten Oberfläche zu erzeu gen, mit dem Zweck,
eine Oberfläche
zu simulieren, wie sie typischerweise entstünde, wenn die Oberfläche durch
Schleifen bearbeitet würde.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung ist ein Computerprogramm vorgesehen, das das Verfahren
der maschinellen Bearbeitung des Metalls steuert, wobei dieses Verfahren
das Entfernen von Metall von einem drehenden Werkstück umfasst, indem
die Spitze eines Metallschneidewerkzeugs an diesem angreift, wobei
wenigstens deren Position von dem Computer gesteuert wird, und die
als Ergebnis der synchronisierten relativen Bewegung zwischen dem
Werkzeug und dem Werkstück
auf diesem eine glatte, maschinell bearbeitete Oberfläche erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, dass das Programm dazu dient, die momentane
Position des Werkzeugs zu ändern,
um während
des maschinellen Bearbeitungsverfahrens mehrere voneinander beabstandete
Vertiefungen in der ansonsten glatten Oberfläche zu erzeugen, mit dem Zweck,
eine Oberfläche
zu simulieren, wie sie typischerweise entstünde, wenn die Oberfläche durch
Schleifen bearbeitet würde.
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Die Erfindung sieht auch ein Computerprogramm
für den
Betrieb eines Computers vor, der das Verfahren der maschinellen
Bearbeitung des Metalls steuert, wobei dieses Verfahren das Entfernen
von Metall von einem drehenden Werkstück umfasst, indem die Spitze
eines Metallschneidewerkzeugs an diesem angreift, wobei wenigstens
deren Position von dem Computer gesteuert wird, und die als Ergebnis
der synchronisierten relativen Bewegung zwischen dem Werkzeug und
dem Werkstück
auf diesem eine glatte, maschinell bearbeitete Oberfläche erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, dass das Programm dazu dient, die momentane
Position des Werkzeugs zu ändern,
um während
des maschinellen Bearbeitungsverfahrens mehrere voneinander beabstandete
Vertiefungen in der ansonsten glatten Oberfläche zu erzeugen, mit dem Zweck,
eine Oberfläche
zu simulieren, wie sie typischerweise entstünde, wenn die Oberfläche durch
Schleifen bearbeitet würde.
Das Programm kann auf einem Datenträger gespeichert sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung ist eine Werkzeugmaschine in Kombination mit einem computergestützten Steuerungssystem
dafür vorgesehen,
das so programmiert ist, dass es ein Hartdrehverfahren an einem
drehenden Werkstück durchführt, wobei
dieses Verfahren das Entfernen von Metall von einem drehenden Werk stück umfasst, indem
die Spitze eines Metallschneidewerkzeugs an diesem angreift, wobei
wenigstens deren Position von dem computergestützten Steuerungssystem gesteuert
wird, und die als Ergebnis der synchronisierten relativen Bewegung
zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück auf diesem eine glatte,
maschinell bearbeitete Oberfläche
erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm dazu dient, während des
maschinellen Bearbeitungsverfahrens die momentane Position des Werkzeugs
zu ändern,
um mehrere voneinander beabstandete Vertiefungen in der ansonsten
glatten Oberfläche
zu erzeugen, mit dem Zweck, eine Oberfläche zu simulieren, wie sie typischerweise
entstünde,
wenn die Oberfläche durch
Schleifen bearbeitet würde.
Die Maschine kann weiterhin ein Eichen und/oder Messen des bearbeiteten
Teils während
des Bearbeitungsverfahrens umfassen, um Signale zu erzeugen, die
eine oder mehrere Dimensionen des bearbeiteten Teils anzeigen, und
um die Signale in den Computer einzuspeisen, um zur Steuerung des
maschinellen Bearbeitungsverfahrens beizutragen.
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Beispiele für Teile,
die gemäß der Erfindung
hergestellt werden können
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Synchronisierungskegel für Getriebe
wurden bisher durch Schleifen zu einer bestimmte Oberfläche und
einer bestimmten Verjüngung
des Durchmessers geformt. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Hartdrehen eines solchen Teils zur Herstellung einer Oberfläche, die
der vorherigen Beschreibung des Teils entspricht, unter Verwendung eines
computergesteuerten Metalldrehverfahrens wie oben, wurde der Computer
so programmiert, dass er in der gedrehten Oberfläche mehrere ringförmige Vertiefungen
erzeugte, die eine Tiefe von 1 μm relativ
zu der gedrehten Oberfläche
hatten und im Abstand von 1 mm entlang der Axiallänge des
Teils angeordnet waren. Jede Vertiefung erstreckte sich über einen
gesamten Axialabstand von 0,2 mm mit einem Übergang, der eine graduelle Änderung
des Radius, der sich über
0,02 mm an jeder Seite der Vertiefung erstreckte (innerhalb der
Breite von 0,2 mm), so dass die Basis der Vertiefung, die an jedem
Ende bei einem vollen μm
unter der gedrehten Oberfläche lag,
sich über
weniger als die Breite der Vertiefung von 0,2 mm erstreckte.
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Andere Beispiele eines ähnlichen
Teils umfassten die Bildung ähnlicher
Vertiefungen darin, die die gleiche Gesamt-Axialausdehnung und ähnliche Übergänge hatten,
jedoch zum Vergleich mit Vertiefungen von 2 μm bzw. 3 μm.
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Einspritzöffnungen für Kraftstoffeinspritzvorrichtungen
für Dieselmotoren
müssen
innen einer höchst
präzisen
Oberflächenbearbeitung
unterzogen werden und wurden bisher geschliffen, um die gewünschte Oberfläche und
den gewünschten
Durchmesser zu erhalten. Die Erfindung stellt ein alternatives Herstellungsverfahren
für solche
Einspritzvorrichtungen zur Verfügung,
bei dem die Öffnungen
gemäß der Erfindung
computergesteuert hartgedreht werden und Vertiefungen aufweisen,
die in ihren inneren Oberflächen
ausgebildet sind, um eine Oberfläche
zu erzeugen, die die erforderlichen Eigenschaften hat, um der ursprünglichen
Spezifizierung des Produkts zu entsprechen, wenn dieses innen geschliffen
wird.
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Die Erfindung wird nun lediglich
beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
worin:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Synchrongetriebes für ein Handschaltgetriebe
eines Kraftfahrzeugs ist, das einen äußeren Kegel hat, der durch
ein Drehverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung geformt wurde;
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2 eine
vergrößerte Draufsicht
auf Vertiefungen ist, die in der Oberfläche des in 1 gezeigten Kegels gebildet sind; und
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3 ein
Schnittdiagramm (nicht maßstabsgetreu)
ist, das die Vertiefungen aus 2 zeigt.
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Das in 1 gezeigte
Synchrongetriebe hat einen kurzen äußeren Konus 10, der
auf einer Präzisionsdrehbank
geformt wird, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
arbeitet. Die Drehbank kann eine Hartdrehbank vom Typ DT40 sein,
die von Landis Lund (einem Zweig von UNOVA UK Limited) in Cranfield,
England, hergestellt wird. Weitere Einzelheiten über diese Werkzeugmaschine
oder diese Präzisionsdrehbank
sind aus der internationalen Veröffentlichung
WO97/30381 zu entnehmen.
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Das Computerprogramm, das die Drehbank zur
Ausbildung des Konus 10 steuert, erzeugt kleine ringförmige Vertiefungen
in der ansonsten relativ glatten Oberfläche des Konus 10.
Drei solche Vertiefungen in der Oberfläche des Konus sind, mit 12, 14 und 16 bezeichnet,
in der vergrößerten Draufsicht
in 2 gezeigt, die 35fach
vergrößert ist.
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Für
eine deutlichere Darstellung der Vertiefungen wird auf den in 3 gezeigten Schnitt verwiesen,
in dem typischerweise jede Vertiefung eine Tiefe von 1 μm, eine Basisbreite
von 0,16 mm und eine Gesamtbreite von 0,2 mm, die zur Basis an jeder Seite über eine
Breite von 20 μm
zusammenläuft, hat.
Der Abstand zwischen den Vertiefungen ist ungefähr 1,0 mm.
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Obgleich die Erfindung hauptsächlich unter Bezugnahme
auf das Hartdrehen beschrieben wurde, ist sie allgemein auf jedes
maschinelle Bearbeitungsverfahren anwendbar, bei dem die Oberfläche durch
Metallschneiden erzeugt wird. Sie könnte deshalb auch auf Bohrungen,
z. B. Lehrenbohrungen, und sogar auf CNC-Formfräsen unter Verwendung eines
Schneidwerkzeugs mit runder Spitze angewandt werden.