EP1884315B1

EP1884315B1 - Werkzeug, Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines insbesondere als Kugelrollspindel ausgebildeten Werkstücks

Info

Publication number: EP1884315B1
Application number: EP20060016179
Authority: EP
Inventors: Oliver Hildebrandt
Original assignee: Supfina Grieshaber GmbH and Co KG
Current assignee: Supfina Grieshaber GmbH and Co KG
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: EP1884315A1; DE502006008334D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Finishwerkzeuge zur finishenden Bearbeitung von Werkstückoberflächen sind beispielsweise aus der DE 198 04 885 A1 sowie aus der EP 1 506 839 B1 bekannt. Finishwerkzeuge werden verwendet, um die Rauhigkeit geschliffener Werkstückoberflächen zu verringern. Dabei beträgt die Schichtstärke des abgetragenen Materials üblicherweise nur wenige µm.
Um gekrümmte Werkstückoberflächen bearbeiten zu können, kommen neben Finishbändern auch Finishsteine mit einer gekrümmten Wirkfläche zum Einsatz. Zur Feinstbearbeitung von Werkstückoberflächen können außerdem bürstend oder polierend wirkende Werkzeuge eingesetzt werden.
Es hat sich herausgestellt, dass mit den bekannten Verfahren zur Feinstbearbeitung von Werkstücken mit gekrümmten Oberflächen nur vergleichsweise niedrige Abtragsleistungen erzielt werden können. Im Hinblick auf die extrem hohen Oberflächenqualitäten, die mit den bekannten Werkzeugen erzielt werden können, spielen diese im Sondermaschinenbau nur eine nebengeordnete Rolle. In der Serienfertigung hingegen besteht großer Bedarf, höchste Oberflächenqualitäten mit hohen Materialabtragsleistungen kombinieren zu können.
Aus der EP 0 326 703 A1 ist ein umfangsseitig geschlossenes Werkzeug mit einer nach radial innen weisenden, ringförmigen Wirkfläche bekannt. Mit diesem Werkzeug wird eine rationale Schleifbearbeitung ermöglicht.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der bei hohen Materialabtragsleistungen sehr komplexe Geometrien gefertigt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Werkzeug-Antrieb auf, mit dem das Werkzeug um eine Werkzeugachse rotierend antreibbar ist. Zwar kann auch mit einem nicht rotierend angetriebenen Werkzeug die Materialabtragsleistung gegenüber nicht ringförmigen Werkzeugen deutlich erhöht werden, wenn bei einem feststehenden Werkzeug nur das Werkstück rotiert; durch den rotierenden Antrieb des Werkzeugs kann jedoch eine weitere Steigerung der Materialabtragsleistung bewirkt werden. Der rotierende Antrieb des Werkzeugs hat außerdem den Vorteil, dass das Wirkmaterial entlang seiner ringförmigen Wirkfläche gleichmäßig verschleißen kann.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung einen Oszillationsantrieb aufweist, mit dem das Werkzeug um eine Oszillationsachse oszillierend antreibbar ist, so dass das Werkzeug um einen Oszillationswinkel um die Oszillationsachse hin- und herschwenkt. Wenn diese Oszillationsbewegung sich mit den oben beschriebenen Rotationsbewegungen des Werkstücks und des Werkzeugs überlagern, können Kugellaufflächen mit höchsten Oberflächengüten erzeugt werden. Für gewindeartig verlaufende Kugellaufflächen einer Kugelrollspindel ist es vorteilhaft, wenn die Oszillationsachse dabei senkrecht zu der oben genannten Neigungsachse angeordnet ist.
Die ringförmige Wirkfläche des Werkzeugs kann sich an eine gekrümmte Werkstückoberfläche anschmiegen. Je kleiner das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Wirkfläche und dem Durchmesser des zu bearbeitenden Werkstücks ist, desto besser kann sich die Wirkfläche des Finishwerkzeugs an die Oberfläche des Werkstücks anschmiegen. Hierdurch können während einer vorgeschalteten Grobbearbeitung des Werkstücks entstandene geometrische Unebenheiten (bspw. bei einem Schleifvorgang entstandene "Rattermarken") besonders gut und schnell beseitigt werden.
Mit dem ringförmigen Werkzeug können hohe Schnittleistungen und somit kurze Bearbeitungszeiten erreicht werden. Dabei kann die Feinstbearbeitung in einem Durchlauf abgeschlossen werden, so dass zeitaufwändige und teuere Werkzeugwechsel entfallen. Da das Wirkmaterial ringförmig ist und sich nach radial außen abtragen kann, steht ein großes Verschleißvolumen zur Verfügung. Hierdurch werden die durch Verschleiß bedingten Werkzeugwechselintervalle vergrößert, Stillstandszeiten vermieden und die Wirtschaftlichkeit erhöht.
Für einen gleichmäßigen Materialabtrag und zur Erleichterung der Handhabung des Werkzeugs und des zu bearbeitenden Werkstücks wird vorgeschlagen, dass die Wirkfläche kreisringförmig ist. Somit hat die Drehlage des Werkzeugs und/oder des Werkstücks bei einem gegebenen Abstand der entsprechenden Drehachsen keinen Einfluss auf den Materialabtragvorgang.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Profil der Wirkfläche spiegelsymmetrisch. Auf diese Weise ist der Materialabtragvorgang unabhängig davon, in welcher Richtung sich das Werkzeug und das Werkstück entlang ihrer Drehachsen relativ zueinander bewegen.
Eine zusätzliche Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Profil der Wirkfläche bogenförmig ist, wobei insbesondere die Wirkfläche nach radial innen konvex geformt ist. Dieses Profil erlaubt zum Einen einen schonenden Eingriff des Werkzeugs in eine zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks. Zum Anderen kann mit einer solchermaßen nach radial innen konvex geformten Wirkfläche eine Kugellauffläche erzeugt werden. Eine solche Kugellauffläche kann beispielsweise eine Lagerfläche eines Kugellagers bilden. Mit dem beschriebenen Finishwerkzeug ist es insbesondere auch möglich, Kugellaufflächen zu erzeugen, die eine Steigung aufweisen, sich also gewindeartig um ein Werkstück herum erstrecken. Ein Beispiel für ein solches Werkstück ist eine Kugelrollspindel, insbesondere die Kugelrollspindel eines Lenkgetriebes für Kraftfahrzeuge.
Das Profil der Wirkfläche kann im Rahmen der Arbeitsvorbereitung exakt vorbestimmt werden, so dass das Werkzeug sofort einsetzbar ist und sich das Profil der Wirkfläche nicht erst an Oberflächen mit vorbearbeiteten Geometrien anpassen muss.
Das Werkzeug kann vollständig aus dem Wirkmaterial gebildet sein, so dass es einen besonders einfachen Aufbau aufweist. Das Wirkmaterial kann aber auch an einem ringförmigen Haltekörper angeordnet sein. Dieser erleichtert die Handhabung des Werkzeugs. Dabei können das Wirkmaterial und der Haltekörper unlösbar miteinander verbunden sein, so dass ein fester Verbund zwischen den Teilen entsteht. Das Wirkmaterial und der Haltekörper können aber auch lösbar miteinander verbunden sein, wobei Mittel zur Festlegung des Wirkmaterials an dem Haltekörper vorgesehen sind. Auf diese Weise kann das Wirkmaterial nach Überschreiten einer Verschleißgrenze ausgetauscht und der Haltekörper für neues Wirkmaterial wiederverwendet werden.
Der Werkzeug-Antrieb kann einen Motor und einen Riementrieb aufweisen, die die Halterung für das Werkzeug in Rotation versetzt. Mit dem Motor kann eine Halterung der Vorrichtung, in der das Werkzeug aufgenommen ist, angetrieben werden. Mit Hilfe des Riementriebs ist es möglich, den Motor und die Halterung bzw. das Werkzeug räumlich voneinander zu entkoppeln. Durch den Riementrieb kann Gewicht eingespart werden, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn das Werkzeug auch senkrecht zu seiner Werkzeugachse oszillierend angetrieben ist, wie dies weiter unten noch beschrieben wird. Selbstverständlich können aber auch andere Bewegungsübertragungsmittel zum Einsatz kommen, um das Werkzeug in Rotation zu versetzen.
In vorteilhafter Weise weist die Vorrichtung einen Werkstückantrieb auf, mit dem das zu bearbeitende Werkstück um eine Werkstückachse rotierend antreibbar ist. Durch die Überlagerung der Rotation des Werkstücks und des Werkzeugs ergeben sich besonders hohe Materialabtragsleistungen. Zudem besteht die Möglichkeit, für den Werkstück-Antrieb und den Werkzeug-Antrieb eine gemeinsame Steuerung vorzusehen, so dass die Drehzahlen aufeinander abgestimmt werden können.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Neigungswinkel des Werkzeugs um eine senkrecht zu der Werkstückachse angeordnete Neigungsachse einstellbar. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine vorgeschliffene Kugellauffläche, die einen Steigungswinkel aufweist, feinstbearbeitet werden soll. Durch die Verstellung der Neigung des Werkzeugs kann sich dessen Wirkfläche besonders gut an eine solche gewindeartig verlaufende Kugellauffläche anschmiegen.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn ein Zustellantrieb vorgesehen ist, mit dem der Abstand der Wirkfläche des Werkzeugs zu der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche einstellbar ist. Mit Hilfe des Zustellantriebs kann also das Zustellmaß, um das das Finishwerkzeug in die Werkstückoberfläche eingreift, eingestellt werden. Mit Hilfe des Zustellantriebs kann auch ein Verschleiß des Finishwerkzeugs ausgeglichen werden, das um einen dem Verschleiß entsprechenden Betrag auf das Werkstück nachgestellt werden kann.
Der Zustellantrieb kann pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch ausgebildet sein. Mit dem Zustellantrieb kann die Wirkfläche des Werkzeugs mit einer konstanten Anpresskraft gegen das Werkstück gedrückt werden. Wenn der Zustellantrieb in Zustellrichtung gesehen beweglich ist, kann sich die Wirkfläche entsprechend mitbewegen. Hierdurch wird eine hohe Rundlauffehlertoleranz des Werkstücks ermöglicht.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass der Oszillationswinkel ausgehend von einer Mittellage auf einen Wert zwischen ± 25° und ± 5°, insbesondere zwischen ± 20° und ± 10°, weiter insbesondere zumindest ungefähr auf ± 15° einstellbar ist. Durch die Einstellung des Oszillationswinkels kann insbesondere die Geometrie der äußeren Bereiche einer Kugellauffläche beeinflusst werden.
Eine zusätzliche Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Abstand der Oszillationsachse zu der Werkstückachse einstellbar ist. Dies ermöglicht es, die Oszillationsachse so einzustellen, dass das Werkzeug direkt benachbart zu seiner mit dem Werkstück in Eingriff stehenden Wirkfläche oszilliert. Der Abstand zwischen dem Grund der Kugellauffläche und der Oszillationsachse entspricht in vorteilhafter Weise dem Radius einer für die Kugellauffläche bestimmten Kugel.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn Antriebsmittel vorgesehen sind, mit denen die Vorrichtung entlang eines Verfahrwegs parallel zu der Werkstückachse verfahrbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Vorrichtung zusammen mit dem Werkzeug entlang eines rotierend angetriebenen Werkstücks zu verfahren, so dass auch gewindeartig verlaufende Kugellaufflächen erzeugt werden können. Es ist aber auch möglich, dass die Vorrichtung fest steht und das Werkstück entlang seiner Werkstückachse verschoben wird. Diese Relativbewegung kann auch durch eine Kombination der genannten Möglichkeiten geschaffen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Halterung für das Werkzeug parallel zu dem Verfahrweg spielbehaftet gelagert ist. Auf diese Weise können entlang eines parallel zu der Werkstückachse gerichteten Verfahrwegs Toleranzen ausgeglichen werden, so dass die Querkraftbelastung des Werkzeugs minimiert wird.
Zur weiteren Minimierung der auf das Finishwerkzeug wirkenden Querkräfte wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eine zumindest mittelbar mit der Halterung und/oder dem Werkzeug verbundene Führungseinrichtung aufweist, die über ein zusätzliches Kontaktelement in Kontakt mit dem Werkstück steht. Mit Hilfe des Kontaktelements werden auftretende Querkräfte aufgenommen, so dass das Werkzeug im Bereich seiner Wirkfläche im Wesentlichen nur noch nach radial außen auf Druck belastet ist.
Die Führungseinrichtung und das Werkzeug können unmittelbar miteinander verbunden sein, es ist aber auch möglich, den Kraftfluss zwischen dem Kontaktelement der Führungseinrichtung und dem Werkzeug über zwischengeschaltete Bauteile herzustellen.
Mit Hilfe der Führungseinrichtung kann die Prozesssicherheit weiter erhöht werden, da das Werkzeug von Querkräften entlastet wird. Hierdurch können axiale Positionsfehler ausgeglichen werden, die sich durch Fehler oder Toleranzen in der Positionierung des Werkzeugs und/oder durch Werkstücktoleranzen oder -fehler ergeben können. Auch aus Beschleunigungen resultierende Querkräfte können von dem Kontaktelement der Führungseinrichtung aufgenommen werden, wodurch das Werkzeug entlastet wird.
In vorteilhafter Weise ist der Abstand zwischen dem Kontaktelement und dem Werkzeug in zu der Werkzeugachse paralleler Richtung einstellbar. Hierdurch ist es möglich, den Abstand zwischen dem Kontaktelement und dem Werkzeug so einzustellen, dass eine Kugelrollspindel mit einer vorgegebenen Gewindesteigung bearbeitet werden kann.
In vorteilhafter Weise ist das Kontaktelement zylindrisch, kugelförmig oder tonnenförmig. Ein solches Kontaktelement kann in eine bereits feinstbearbeitete oder eine noch zu bearbeitende Kugellauffläche eingelegt werden. Durch Auswahl eines entsprechenden Durchmessers ist es möglich, nicht nur eine, sondern zwei Berührstellen mit der Kugellaufläche eines im Wesentlichen zylindrischen Werkstücks zu schaffen, so dass Querkräfte an zwei Berührstellen aufgenommen werden können. Besonders hohe Belastungen können dabei von dem Kontaktelement aufgenommen werden, wenn dieses Diamantpartikel aufweist und insbesondere aus einem polykristallinen Diamant-Werkstoff (PKD) gebildet ist. Dieser Werkstoff ist hochbelastbar und verschleißfest. Auch die Verwendung von Hartmetallen, Hartkunststoffen oder keramischen Materialien ist möglich.
Zur Erleichterung der Handhabung des Kontaktelements ist es vorteilhaft, wenn ein Zustellantrieb vorgesehen ist, mit dem das Kontaktelement in Richtung auf das Werkstück und entgegengesetzt bewegbar ist. Um festzustellen, ob das Kontaktelement sich in Kontakt mit dem Werkstück befindet oder nicht, ist es vorteilhaft, wenn der Zustellantrieb mit einem Wegmesssystem gekoppelt ist. Das Wegmesssystem liefert in zuverlässiger Weise einen Parameter für den Beginn und das Ende der Feinstbearbeitung. Wenn das Kontaktelement nach radial innen zugestellt und in Kontakt mit einer vorbearbeiteten Kugellauffläche steht, kann die Feinstbearbeitung gestartet werden. Wenn das Kontaktelement am Gewindeauslauf wieder nach radial außen bewegt wird, kann die Feinstbearbeitung entweder sofort beendet werden oder es können abschließend noch diejenigen Gewindegänge bearbeitet werden, die sich zwischen dem bereits nach radial außen verschobenen Kontaktelement und der Wirkfläche des Werkzeugs befinden.
Mit Hilfe des Wegmesssystems ist es nicht nur möglich, zu erkennen, dass das Kontaktelement in Kontakt mit einer Kugellauffläche oder mit einem Außengewinde des Werkstücks steht, sondern es erlaubt auch eine Erkennung der Drehlage des Werkstücks, wenn die Position des Kontaktelements entlang der Werkzeugachse bekannt ist. Diese Position kann auch hergeleitet werden, wenn die Position des Werkzeugs und der Abstand des Kontaktelements zu dem Werkzeug bekannt ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer insbesondere als Kugelrollspindel ausgebildeten Werkstücks unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es wird vorgeschlagen, dass das Werkzeug rotierend rotierend und oszillierend angetrieben wird.
Wenn die Vorrichtung entlang eines Verfahrwegs parallel zu der Werkstückachse verfahren wird, können auch gewindeartig verlaufende Kugellaufflächen bearbeitet werden. Hierbei wird der Verfahrweg so abgestimmt, dass er der Steigung des Gewindes entspricht, wenn das Werkstück einmal rotiert, also einmal um 360° dreht.
Durch eine oszillierende Bewegung des Werkzeugs ist es möglich, die Geometrie insbesondere der äußeren Bereiche einer Kugellauffläche optimal einstellen zu können. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Kugellauffläche für einen Kugelkörper mit einem bestimmten Durchmesser geeignet ist und die Lage der Oszillationsachse so eingestellt wird, dass sie durch den Mittelpunkt dieses Kugelkörpers hindurch verläuft, wenn der Kugelkörper in die Kugellauffläche eingelegt ist.
Zur weiteren Verbesserung der Geometrie einer gewindeartig verlaufenden Kugellauffläche ist es vorteilhaft, den oben beschriebenen Neigungswinkel entsprechend anzupassen. Im Folgenden ist der Neigungswinkel so definiert, dass dieser 0° beträgt, wenn die Finishwerkzeugachse und die Werkstückachse zueinander parallel sind. Hiervon ausgehend wird der Neigungswinkel so eingestellt, dass er maximal so groß ist wie und insbesondere kleiner ist als ein Steigungswinkel der Kugellauffläche des Werkstücks, insbesondere der Kugelrollspindel. Der Neigungswinkel kann auch so eingestellt werden, dass er größer ist als der Steigungswinkel der Kugellauffläche des Werkstücks, insbesondere der Kugelrollspindel.
Zur Querkraftentlastung des Finishwerkzeugs wird vorgeschlagen, dass das Kontaktelement der Führungseinrichtung bereits vor der Feinstbearbeitung des Werkstücks mit der zu finishenden Kugellauffläche des Werkstücks in Kontakt gebracht wird und dann während der Bearbeitung dort verbleibt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist.
In der Zeichnung zeigen:

Figur 1: eine perspektivische, geschnittene Ansicht eines Werkzeugs mit einer Halterung und einem Werkzeug- Antrieb;
Figur 2: eine perspektivische, geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Werkzeug, einer Halterung und einem Werkzeug-Antrieb gemäß Figur 1;
Figur 3: eine perspektivische, geschnittene Ansicht der Vorrichtung gemäß Figur 2 entsprechend einer Schnittebene III in Figur 2;
Figur 4: eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß Figur 2 mit einer Führungseinrichtung für das Werkzeug; und
Figur 5: eine geschnittene Ansicht der Führungseinrichtung gemäß Figur 4 entsprechend einer Schnittebene V in Figur 4.

In Figur 1 ist eine Montageeinheit dargestellt, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist. Ferner ist ein als Kugelrollspindel ausgebildetes Werkstück 4 dargestellt, dass eine Kugellauffläche 6 aufweist.
Zur Bearbeitung der Kugellauffläche 6 ist ein ringförmiges Werkzeug 8 vorgesehen, das im Folgenden als Finishwerkzeug bezeichnet ist. Dieses weist eine nach radial innen weisende, im Profil bogenförmige Wirkfläche 10 auf. Das Profil der Wirkfläche 10 ist zumindest abschnittsweise dem Profil der Kugellauffläche 6 angepasst.
Das Finishwerkzeug 8 ist an einem Haltekörper 12 gehalten, der das Finishwerkzeug 8 radial außen umgibt und eine Seite des Finishwerkzeugs 8 in axialer Richtung abstützt. Das Finishwerkzeug 8 ist über einen Klemmring 14 und mittels Schrauben 16 an dem Haltekörper 12 festgelegt.
Das Finishwerkzeug 8 bzw. der Haltekörper 12 ist an einer Halterung 18 mit Hilfe nicht weiter dargestellter Schrauben fixiert. Die Halterung 18 ist an einem im Wesentlichen rotationssymmetrischen Lagerkörper 20 ausgebildet, in dessen Zentrum ein Freiraum 22 zur Aufnahme eines Abschnitts des Werkstücks 4 ausgebildet ist.
Der Lagerkörper 20 ist über auch in Figur 2 dargestellte Wälzlager 24 an einem Gehäuse 26 drehbar gelagert. Mit diesem Gehäuse ist ein von diesem abstehender Flansch 28 verbunden, an dem ein Motor 30 befestigt ist. Der Motor 30 weist eine Antriebsfläche 32 auf, um einen nicht dargestellten Riemen anzutreiben, der auf eine Abtriebsfläche 34 des Lagerkörpers 20 wirkt, so dass mit Hilfe des Motors 30 und des Riementriebs der Lagerkörper 20 und somit das Finishwerkzeug 8 rotatorisch angetrieben werden kann. Hierbei rotiert das Finishwerkzeug 8 um eine Finishwerkzeugachse 36.
Das Werkstück 4 kann mit Hilfe eines nicht dargestellten Werkstück-Antriebs rotatorisch angetrieben werden, so dass es um eine Werkstückachse 38 rotiert. Zwischen der Finishwerkzeugachse 36 und der Werkstückachse 38 ist ein Neigungswinkel 40 ausgebildet, der für rotationssymmetrische Kugellaufflächen 0° beträgt. Weist die Kugellauffläche 6, sowie in Figur 1 dargestellt, einen Steigungswinkel 42 auf, kann der Neigungswinkel 40 entsprechend erhöht werden.
In den Figuren 2 und 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung insgesamt mit dem Bezugszeichen 44 bezeichnet. Diese weist die mit Bezug auf Figur 1 beschriebene Montageeinheit 2 auf. Das in Figur 1 obere Ende des Gehäuses 26 ist gemäß Figuren 2 und 3 fest mit einer Lagerplatte 46 verbunden. Die Lagerplatte 46 ist entlang einer Linearführung 48 verschieblich gelagert. Die Linearführung 48 weist zwei symmetrisch zueinander angeordnete Lagerelemente 50 auf, die fest mit der Lagerplatte 46 verbunden sind. Die Lagerelemente 50 wirken mit jeweils außen angeordneten Lagerelementen 52 zusammen, die fest mit einem Trägerelement 54 verbunden sind. Gemäß Figur 3 ist das Trägerelement 54 endseitig mit Platten 56 verbunden, wobei an der in Figur 3 vorderen Platte 56 ein Zustellantrieb 58 angeordnet ist. Dieser Antrieb ist bspw. elektromechanisch, pneumatisch oder hydraulisch und treibt eine Kolbenstange 60 an. Mit Hilfe der Kolbenstange 60 kann die Lagerplatte 46 relativ zu dem Trägerelement 54 verschoben werden, so dass die Wirkfläche 10 des Finishwerkzeugs 8 in Richtung auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks 4 zugestellt und entgegensetzt bewegt werden kann. Bei Kontakt der Wirkfläche 10 mit dem Werkstück 4 übt der Zustellantrieb eine konstante Kraft aus. Dabei lässt der Zustellantrieb eine Bewegung der Wirkfläche in zu dem Werkstück 4 radialer Richtung zu, so dass Rundlauffehler des Werkstücks 4 ausgeglichen werden können.
Die bisher beschriebene Einheit weist einen weiteren Freiheitsgrad auf und ist um eine mit Bezugszeichen 62 bezeichnete Oszillationsachse verschwenkbar. Ausgehend von einer in Figur 3 mit 64 bezeichneten Mittellage kann die bisher beschriebene Einheit und insbesondere das Finishwerkzeug 8 um einen Oszillationswinkel 66 hin- und herbewegt werden.
Zur Erzeugung der oszillierenden Bewegung des Finishwerkzeugs 8 ist ein in Figur 2 mit 68 bezeichneter Oszillationsantrieb vorgesehen. Dieser erzeugt eine Drehbewegung, die auf ein erstes Ende eines relativ zur Drehachse exzentrisch gelagerten Pleuels 70 übertragen wird. Das gegenüberliegende Ende des Pleuels 70 ist in Figur 3 geschnitten dargestellt. In diesem Bereich umgreift das Pleuel 70 einen nur abschnittsweise dargestellten Bolzen 72, der in einer Bolzenaufnahme 74 gelagert ist. Über das Pleuel 70 wird der Bolzen 72 und die Bolzenaufnahme 74 um die Oszillationsachse 62 verschwenkt. Zur Übertragung dieser Bewegung auf das Finishwerkzeug 8 ist die Bolzenaufnahme 74 fest mit dem Trägerelement 54 verbunden. Das Trägerelement 54 wiederum ist mit einem die Oszillationsachse 62 definierenden Achselement 76 verbunden. Das Achselement 76 ist über eine Lagerung 78 in axialer und radialer Richtung gelagert. Zur Abdichtung der Lagerung 78 ist ein Dichtring 80 vorgesehen. Um die Lagerung 78 in axialer Richtung vorspannen zu können, ist ein Spannring 82 vorgesehen. Die Lagerung 78 ist in einer mit 84 bezeichneten Achsaufnahme angeordnet.
Um den Abstand zwischen der Oszillationsachse 62 und der Werkstückachse 38 einstellen zu können, ist die Achsaufnahme 84 relativ zu einem Plattenelement 86 mit Hilfe einer in Figur 2 mit 88 bezeichneten Linearführung verschieblich gelagert. Um die Achsaufnahme 84 und das Plattenelement 86 relativ zueinander zu fixieren, sind in Figur 2 mit 90 bezeichnete Klemmschrauben vorgesehen.
Zur Einstellung des auch in Figur 1 dargestellten Neigungswinkels 40 ist das Plattenelement 86 fest mit einer rückwärtigen Platte 92 verbunden, die um eine Neigungsachse 94 verdreht werden kann (siehe Figur 3). Somit kann ausgehend von einer Mittellage 96 die bisher beschriebene Einheit um den Neigungswinkel 40 verstellt werden, um die sich gewindeartig erstreckende Kugellauffläche 6 des Werkstücks 4 bearbeiten zu können.
Die Neigungsachse 94 wird definiert durch einen Lagerbolzen 98. Dieser ist in einem Zwischenstück 100 gehalten, das mit seiner Vorderseite (ohne Bezugszeichen) an der Rückseite (ohne Bezugszeichen) der rückwärtigen Platte 92 anliegt. Auf der anderen Seite der rückwärtigen Platte 92 ist eine Klemmplatte 102 angeordnet, die mit dem Lagerbolzen 98 verschraubt ist. Durch Lösen der Verschraubung kann der Abstand zwischen dem Zwischenstück 100 und der Klemmplatte 102 vergrößert werden, so dass die rückwärtige Platte 92 um die Neigungsachse 94 verdreht werden kann.
Die Vorrichtung 44 weist einen insgesamt mit dem Bezugszeichen 104 bezeichneten Schlitten auf. Dieser Schlitten ist mit Hilfe nicht weiter dargestellter Antriebsmittel entlang eines Verfahrwegs 106 verfahrbar, der parallel zur Werkstückachse 38 verläuft.
Der Schlitten 104 weist eine Bodenplatte 108, eine rückwärtige Stützplatte 110 sowie eine Trägerplatte 112 auf. Das Zwischenstück 100 und die Trägerplatte sind parallel zu der Richtung der Werkstücksachse 38 mit Hilfe einer Linearführung 114 zueinander verschieblich gelagert. Eine Relativbewegung zwischen dem Schlitten 104 und dem Zwischenstück 100 kann über eine Wegmesseinheit 115 (vgl. Figur 3) erfasst werden.
Zur Erhöhung der Stabilität der bisher beschriebenen Einheit sind Versteifungen 116 vorgesehen, die das Plattenelement 86 sowie die rückwärtige Platte 92 gegeneinander abstützen (siehe Figur 2). Um die Neigung der durch die Bauteile 92 und 86 begrenzten Einheit um die Neigungsachse 94 exakt einstellen zu können, ist eine Stellschraube 118 vorgesehen. Diese ist an einer Lagerschale 120 gelagert, die fest mit dem Zwischenstück 100 verbunden ist. Die Stellschraube 118 greift in einen Drehbolzen 122, der wiederum drehbar in einer Aufnahme 124 gelagert ist, die wiederum mit der rückwärtigen Platte 92 verbunden ist.
Zur Einstellung des Neigungswinkels 40 muss zunächst die Verschraubung zwischen der Klemmplatte 102 und dem Lagerbolzen 98 gelockert werden, so dass die rückwärtige Platte 92 beweglich ist. Anschließend wird die Stellschraube 118 so lange verdreht, bis ein gewünschter Neigungswinkel 40 erreicht ist. Ein Maß für den Neigungswinkel 40 ist auch durch den in Figur 3 mit dem Bezugszeichen 126 bezeichneten Abstand zwischen dem freien Ende des Drehbolzens 122 und einer dem Drehbolzen 122 zugewandten Fläche der Lagerschale 120 definiert.
Mit Hilfe der Linearführung 114 wird erreicht, dass das Finishwerkzeug 8 in einer zu dem Verfahrweg 106 parallelen Richtung spielbehaftet gelagert ist. Auf diese Weise können Toleranzen der zu bearbeitenden Kugellauffläche 6 ausgeglichen werden, so dass die Querkraftbelastung des Finishwerkzeugs 8 minimiert wird.
Mit der Wegmesseinheit 115 kann erfasst werden, ob die Relativbewegung zwischen dem Schlitten 104 und dem Zwischenstück 100 derart ist, dass sie nicht zu dem Vorschub des Schlittens passt, der durch die Steigung der Kugellauffläche pro einmaliger Umdrehung des Werkstücks 4 vorgegeben ist. Auf diese Weise kann auch detektiert werden, dass das Werkstück 4 nicht rotiert.
Zur weiteren Minimierung der Querkraftbelastung des Finishwerkzeugs 8 weist die Vorrichtung 44 eine in Figur 4 insgesamt mit dem Bezugszeichen 128 bezeichnete Führungseinrichtung auf. Diese umfasst einen sich an dem Plattenelement 86 abstützenden Arm 130. Über eine Linearführung 132 ist der Arm 130 parallel zu der in Figur 1 dargestellten Finishwerkzeugachse 36 verschieblich gelagert. Mit Hilfe von Befestigungsschrauben 134 kann der Arm 130 an dem Plattenelement 86 fixiert werden.
An dem in Figur 4 unteren Ende des Arms 130 ist ein Zustellantrieb 136 angeordnet, der in Figur 5 geschnitten dargestellt ist. Dieser umfasst zwei doppelt wirkende Kolben 138, die an ihrem freien Ende mit einem Halter 140 verbunden sind. An dem Halter 140 ist ein zylindrisches Kontaktelement 142 angeordnet, das sich senkrecht zu der in Figur 1 dargestellten Finishwerkzeugachse 36 erstreckt. Das Kontaktelement 142 ist aus einem polykristallinen Diamant gebildet und somit besonders hart und verschleißbeständig. Das Kontaktelement 142 greift in eine Windung der Kugellauffläche 6.
Der Halter 140 ist über einen winklig abstehenden Abschnitt 144 mit einem in Figur 4 dargestellten Wegmesssystem 146 gekoppelt, so dass die Lage des Halters 140 bzw. des Kontaktelements 142 relativ zu dem Arm 130 erfasst werden kann.
Mit Hilfe des Kontaktelements 142 kann das in Figur 5 im Querschnitt dargestellte Finishwerkzeug 8 querkraftentlastet werden. Die durch Toleranzen der zu finishenden, vorbearbeiteten Kugellauffläche 6 entstehenden Abweichungen von einem Idealmaß können durch die Linearführung 114 kompensiert werden. Die auftretenden Querkräfte können über das Kontaktelement 142 aufgenommen werden. Um den Abstand zwischen dem Kontaktelement 142 und dem Finishwerkzeug 8 in einer zu der Werkzeugachse 36 parallelen Richtung exakt einstellen zu können, ist an der Achsaufnahme 84 ein in Figur 3 dargestellter Eichstift 148 vorgesehen. Der Abstand zwischen dem Kontaktelement 142 und dem Finishwerkzeug 8 ist bestimmt durch den Abstand des Eichstiftes 148 zu der in Figur 4 rückwärtigen, in der gewählten Perspektive nicht sichtbaren Fläche des Arms 130.
Mit Hilfe des beschriebenen Finishwerkzeugs 8 und der Vorrichtung 44 kann ein insbesondere als Kugelrollspindel ausgebildetes Werkstück 4 finishend bearbeitet werden, so dass die Kugellauffläche 6 des Werkstücks 4 höchste Oberflächenqualitäten erreicht. Mit Hilfe der dargestellten Vorrichtung 44 können sehr kurze Bearbeitungszeiten erzielt werden. Dies liegt daran, dass die Wirkfläche 10 des Finishwerkzeugs 8 ringförmig ist und insbesondere rotatorisch angetrieben werden kann. Auch das Werkstück 4 kann rotatorisch angetrieben werden. Der Schlitten 104 wird entlang des Fahrwegs 106 so angetrieben, dass das Finishwerkzeug 8 bei Rotation des Werkstücks 4 in Eingriff mit der Kugellauffläche bleibt. Dabei ist das Finishwerkzeug 8 dank des Kontaktelements 142 nicht querkraftbelastet.
Mit Hilfe der Einstellung des Neigungswinkels 40 um die Neigungsachse 94 sowie mit Hilfe der Oszillation des Finishwerkzeugs um die Oszillationsachse 62 können bei kurzen Bearbeitungsdauern auch hochkomplexe Geometrien der Kugellauffläche 6 gefertigt werden.
Die Vorrichtung 44 ermöglicht es, Werkstücke 4 schnell und prozesssicher feinstbearbeiten zu können. Während der Serienfertigung müssen lediglich das Werkzeug 8 sowie das Kontaktelement 142 nach Erreichen der Verschleißgrenzen ausgetauscht werden.

Claims

Vorrichtung zur finishenden, bürstenden und/oder polierenden Feinstbearbeitung von Oberflächen eines Werkstücks (4), mit einer Halterung (18) für ein Werkzeug (8) mit einem finishend, bürstend und/oder polierend wirkenden Wirkmaterial, das eine zumindest abschnittsweise gekrümmte Wirkfläche (10) aufweist, wobei die Wirkfläche (10) ringförmig ist und nach radial innen weist, wobei das Werkzeug (8) mittels eines Werkzeug-Antriebs um eine Werkzeugachse (36) rotierend antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (44) einen Oszillations-Antrieb (68) aufweist, mit dem das Werkzeug (8) um eine Oszillationsachse (62) oszillierend antreibbar ist, so dass das Werkzeug (8) um einen Oszillationswinkel (66) um die Oszillationsachse (62) hin- und herschwenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (8) um die Werkzeugachse (36) oszillierend antreibbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeug-Antrieb einen Motor (30) und einen Riementrieb aufweist, der die Halterung (18) für das Werkzeug (8) in Rotation versetzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Werkstück-Antrieb, mit dem das zu bearbeitende Werkstück (4) um eine Werkstückachse (38) rotierend antreibbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (40) des Werkzeugs (8) um eine senkrecht zu der Werkstückachse (38) angeordnete Neigungsachse (94) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustellantrieb (58) vorgesehen ist, mit dem der Abstand der Wirkfläche (10) des Werkzeugs (8) zu der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks (4) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationsachse (62) senkrecht zu der Neigungsachse (94) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillationswinkel (66) ausgehend aus einer Mittellage (64) auf einen Wert zwischen ±25° und ±5°, insbesondere zwischen ±20° und ±10°, weiter insbesondere zumindest ungefähr auf ±15° einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Oszillationsachse (62) zu der Werkstückachse (38) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass Antriebsmittel vorgesehen sind, mit denen die Vorrichtung (44) entlang eines Verfahrwegs (106) parallel zu der Werkstückachse (38) verfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (18) für das Werkzeug (8) parallel zu dem Verfahrweg (106) spielbehaftet gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (44) eine zumindest mittelbar mit der Halterung (18) und/oder dem Werkzeug (8) verbundene Führungseinrichtung (128) aufweist, die über ein zusätzliches Kontaktelement (142) in Kontakt mit dem Werkstück (4) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Kontaktelement (142) und dem Werkzeug (8) in zu der Werkzeugachse (36) paralleler Richtung einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (142) zylindrisch, kugelförmig oder tonnenförmig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (142) Diamantpartikel aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (142) aus einem polykristallinen Diamant-Werkstoff (PKD) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (142) zumindest anteilig aus einem Hartmetall, einem Hartkunststoff und/oder einem keramischen Material gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustellantrieb (136) vorgesehen ist, mit dem das Kontaktelement (142) in Richtung auf das Werkstück (4) und entgegengesetzt bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustellantrieb (136) mit einem Wegmesssystem (146) gekoppelt ist.
Verfahren zur Herstellung eines insbesondere als Kugelrollspindel ausgebildeten Werkstücks (4) unter Verwendung einer Vorrichtung (44) mit den Merkmalen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug (8) um eine Werkstückachse (38) rotierend und um eine Oszillationsachse (62) oszillierend angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (44) entlang eines Verfahrwegs (106) parallel zu der Werkstückachse (38) verfahren wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (44) entlang des Verfahrwegs (106) um das durch die Steigung einer Kugellauffläche (6) des Werkstücks (4) vorgegebene Maß verfahren wird, während das Werkstück um 360° rotiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oszillationswinkel (66) ausgehend aus einer Mittellage (64) auf einen Wert zwischen ±25° und ±5°, insbesondere zwischen ±20° und ±10°, weiter insbesondere zumindest ungefähr ±15° eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (8) eine Kugellauffläche (6) erzeugt, die für einen Kugelkörper mit einem bestimmten Durchmesser geeignet ist und dass die Lage der Oszillationsachse (62) so eingestellt wird, dass sie durch den Mittelpunkt dieses Kugelkörpers hindurchverläuft, wenn der Kugelkörper in die Kugellauffläche (6) eingelegt ist.