DE19840738A1

DE19840738A1 - Verfahren zur Semifinish- oder Finishbearbeitung von Oberflächen rotationssymmetrischer Abschnitte von Werkstücken aus hartem oder gehärtetem Werkstoff und Drehwerkzeug

Info

Publication number: DE19840738A1
Application number: DE1998140738
Authority: DE
Inventors: Sven Jochmann; Volker Sinhoff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-09-07
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2018-09-08
Also published as: DE19840738C5; DE19840738C2

Abstract

Als Alternative zum Fertigbearbeiten gehärteter Werkstücke mittels Schleifen ist das Hartdrehen mit superharten CBN- oder Mischkeramikschneidstoffen bekannt. Da mit dem Hartdrehen allein die geforderten Parameter jedoch nicht immer erreicht werden können, wird es in der Regel mit einer abschließenden Schleifbearbeitung oder mit einem Honen kombiniert oder es wird statt des Hartdrehens ein Einstech-Schleifprozeß angewendet, bei dem das oder die Schleifwerkzeuge an die Werkstückgeometrie angepaßt sind. Insbesondere die Bearbeitungszeit soll weiter gesenkt werden. DOLLAR A Nach dem Verfahren erfolgt die Bearbeitung durch Hartdrehen mit mindestens einem Werkzeug, dessen Schneidkante eine der zu erzeugenden Geometrie der jeweiligen Bearbeitungsfläche des Werkstücks angepaßte Form aufweist und aus einem hochharten Schneidstoff besteht, mit einem Vorschub des Werkzeuges in Richtung auf die jeweilige Bearbeitungsfläche des Werkstücks. DOLLAR A Das Verfahren ist vornehmlich in der Massenfertigung von kleinen Wälzlagern und bei der Herstellung von Dichtflächen vorteilhaft anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Semifinish- oder Finishbearbeitung von Oberflächen rotationssymmetrischer Abschnitte von Werkstücken aus hartem oder gehärtetem Werkstoff mittels Hartdrehen und ein zu dessen Durchführung geeignetes Drehwerkzeug.

Präzisionsbauteile wie zum Beispiel Wälzlager- und Hydraulikkomponenten erfordern für ihre Funktionsfähigkeit höchste Form- und Maßgenauigkeiten sowie beste Oberflächenqualitäten. Um eine ausreichende Verschleißfestigkeit zu erreichen, werden die Bauteile aus harten oder gehärteten Werkstoffen hergestellt. Die geforderten Toleranzen solcher Präzisionsbauteile liegen dabei im Bereich der ISO-Toleranzklasse IT3 bis IT6 bei Oberflächenrauhigkeiten von R_z = 0,5 bis 6 µm.

Der herkömmliche Bearbeitungsgang erfolgt dabei so, daß ein ungehärteter Werkstückrohling in die gewünschte Form gedreht und anschließend gehärtet wird. Der dabei auftretende Härteverzug erfordert eine anschließende Endbearbeitung, weshalb das Drehen des ungehärteten Werkstückrohlings unter Beibehaltung eines geringen Aufmaßes, in der Regel in der Größenordnung weniger Zehntelmillimeter, erfolgen muß.

Die Endbearbeitung nach dem Härten geschieht durch Schleifen, Feinschleifen und Honen.

Der hohe Zeit- und Kostenaufwand und die mangelnde Flexibilität des herkömmlichen Verfahrens und letztlich auch die steigenden Kosten für die Entsorgung der Kühlschmierstoffe und Schleifschlämme haben zu kostengünstigeren und weniger zeitaufwendigen Alternativen bei der Endbearbeitung geführt.

Als Alternative zum anschließenden Schleifen wird das Hartdrehen mit superharten CBN- oder Mischkeramikschneidstoffen angewendet.

So ist aus der DE-A 44 32 514 ein Verfahren bekannt, bei dem das Werkstück nach dem Härten mit einer Toleranz von < 10 µm sowie einer Rauhtiefe R_z < 2 µm hartgedreht und danach mittels Honen auf das Fertigmaß und die Fertigrauhigkeit gebracht wird.

Ein ähnliches Verfahren ist aus der DE-A 195 46 863 bekannt. Die Endbearbeitung des mit Belassung eines Aufmaßes vorbereiteten und gehärteten Werkstücks erfolgt in einer Schleifmaschine zunächst durch Hartdrehen, wobei 70 bis 90% des Aufmaßes abgetragen werden, und anschließendes Schleifen, ohne die Einspannung des Werkstücks zu wechseln.

Die Kontur des zu bearbeitenden Werkstücks wird durch Abfahren einer entsprechenden Bahn mit einem Vorschub parallel zur Drehachse des Werkstücks erzeugt.

Wie in der DE-A 44 32 514 vorausgesetzt wird, ist es häufig nicht möglich, durch das Hartdrehen allein eine geeignete Einstellung der geforderten Endparameter zu erzielen. Das liegt unter anderem daran, daß durch die Überlagerung von Drehbewegung des Werkstücks und Vorschubbewegung des Werkzeuges eine für das Drehen typische Wendelstruktur erzeugt wird. Diese Wendelstruktur erweist sich häufig als kritisch, da sie zum Beispiel bei Dichtflächen eines rotierenden Werkstückes eine gewisse Förderbewegung der Flüssigkeit hervorruft, gegenüber der die Abdichtung erfolgen soll. Außerdem läßt sie die aufliegende Dichtung schnell verschleißen.

Auch dort, wo die geforderte Oberflächenqualität allein mit dem Hartdrehen erreicht werden kann, sind zumindest der Bearbeitungsgeschwindigkeit beim Hartdrehen Grenzen gesetzt, da pro Werkstückumdrehung jeweils nur eine Fläche bearbeitet wird, die den Vorschub des Werkzeuges, multipliziert mit dem aktuellen Werkstückumfang, entspricht. Insbesondere in der Serienfertigung und in verketteten Anlagen können die geforderten Taktzeiten durch das Hartdrehen deshalb oftmals nicht erreicht werden.

Beide Gründe führen dazu, daß das Hartdrehen in der Regel mit einer abschließenden Schleifbearbeitung oder mit einem Honen kombiniert wird oder daß statt des Hartdrehens ein Einstech-Schleifprozeß angewendet wird, bei dem das oder die Schleifwerkzeuge an die Werkstückgeometrie angepaßt sind. Trotz gegenüber dem Hartdrehen niedrigerer spezifischer Abtragsraten können mit dem zuletzt genannten Verfahren teilweise niedrigere Hauptzeiten erreicht werden als mit dem Hartdrehen.

Die Kinematik des Hartdrehens erschwert darüber hinaus die Online-Messung der erzeugten Werkstückabmessungen. Während beim Einstechschleifen zum Beispiel eine einfache Durchmesserkontrolle durch eine berührende Messung mit tastenden In-Process-Meßmitteln am aktuell bearbeiteten Durchmesser erfolgen kann, besteht diese Möglichkeit beim Hartdrehen bisher nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem sich bei verringerten Bearbeitungszeiten hochwertige Oberflächenqualitäten erreichen lassen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Hartdrehen mit mindestens einem Werkzeug, dessen Schneidkante eine der zu erzeugenden Geometrie der jeweiligen Bearbeitungsfläche des Werkstücks angepaßte Form aufweist und aus einem hochharten Schneidstoff besteht, mit einem Vorschub des Werkzeuges in Richtung auf die jeweilige Bearbeitungsfläche des Werkstücks erfolgt.

Durch die Verwendung von Formwerkzeugen ist bei der Bearbeitung der Werkstücke nur eine einachsige Verfahrbewegung erforderlich. Die hohen Abtragsraten des Hartdrehprozesses mit definierter Schneide führen zu dem Vorteil der Erzeugung eines Werkstückes in einem Schnitt durch Abbilden des Profils des Formwerkzeuges auf dem Werkstück und den Verzicht auf eine Schleifbearbeitung. Daraus resultieren sehr kurze Hauptzeiten. Gegenüber dem Einstechschleifen mit profilierten Schleifscheiben können so auch Werkstücke mit einem sehr großen Bearbeitungsaufmaß wirtschaftlich zerspant werden, da der Abtrag beim Hartdrehen um etwa eine Größenordnung höher ist als beim Schleifen. Dies erlaubt in vielen Fällen den Verzicht auf eine spanende Vorbearbeitung vor dem Härten.

Durch die Einstechkinematik wird auf der Werkstückoberfläche keine wendelförmige Struktur erzeugt. Es bildet sich lediglich die Rauhheit der Schneidkante des Werkzeuges als parallele Rillen auf der Oberfläche des Werkstücks ab. Dies ist vor allein dann vorteilhaft, wenn das Werkstück Funktionsflächen aufweist, zum Beispiel Dichtflächen für Wellendichtringe.

Als Werkzeuge können CBN- bzw. PCBN- (polykristalline kubische Bornitride) oder Keramikwerkzeuge zum Einsatz kommen. Die Werkzeuggeometrie, bzw. die Geometrie der Schneidkante, ist dabei an die zu erzeugende Geometrie der Werkstücke anzupassen. Als gut geeignet haben sich feinkörnige PCBN-Sorten mit niedrigem CBN-Anteil und keramischer Bindephase erwiesen. Je nach Anwendungsgebiet und Werkstoff des Werkstückes kommen aber prinzipiell die meisten auf dem Markt erhältlichen PCBN- und Mischkeramiksorten in Frage.

Derartige Formwerkzeuge zur Fertigbearbeitung der Oberflächen von gehärteten Werkstücken werden von den Werkzeugherstellern bisher nicht angeboten, lassen sich aber analog zu den bisher gebräuchlichen Hartdrehwerkzeugen herstellen. Die Vorbereitung der Schneiden und Schneidkanten erfolgt dabei analog zu konventionellen Wendeschneidplatten.

Die Schneidplatten können als Fullface-Platten ausgebildet sein. Da in der Regel jedoch nur mit geringen Vorschüben gearbeitet wird, empfiehlt sich die Verwendung von Werkzeugen, die nur an der Schneidkante einen Einsatz mit hochharten Schneidstoffen aufweisen. Dadurch sind insbesondere bei Werkstücken aus PCBN signifikante Kosteneinsparungen möglich.

An die Geometrie der Werkzeuge werden die gleichen Anforderungen gestellt wie an die zu erzeugenden Werkzeuggeometrien. Bei Wälzlagerlaufflächen liegen die erlaubten Abweichungen von der idealen Form beispielsweise im Bereich weniger Mikrometer. Weiterhin müssen die verwendeten Werkzeughalter sehr genaue Einstellmöglichkeiten für die Werkzeughöhe und die Ausrichtung der Schneide zur Drehachse aufweisen. Für die Einstellung sind ebenfalls Genauigkeiten im Mikrometerbereich, in der Regel weniger als 10 µm, zu fordern. Der Bearbeitungsvorgang kann in allgemeinen einstufig erfolgen. Zur Erzielung höchster Qualitäten ist jedoch auch eine Aufteilung der Bearbeitung in einen Vor- (Semifinish-) und einen Finishschnitt möglich. Insbesondere das Werkzeug für den Finishschnitt soll dabei ein feinkörniges Gefüge und eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen, um gute Oberflächengüten und Formgenauigkeiten über eine große Werkstückanzahl realisieren zu können. Optional kann für eine besonders hohe Oberflächengüte eine Hon- und/oder eine Polieroperation nachgeschaltet sein.

Das Verfahren wird typischerweise ohne den Einsatz von Kühlschmierstoffen durchgeführt. Kühlschmierstoff kann jedoch optional zur Werkstücktemperierung verwendet werden.

Das Verfahren ist vornehmlich in der Massenfertigung von kleinen Wälzlagern und bei der Herstellung von Dichtflächen vorteilhaft anwendbar. Die Kinematik ermöglicht in Kombination mit entsprechenden Formwerkzeugen aber auch die Einbringung von filigranen rotationssymmetrischen Strukturen in die Werkstücke, wie zum Beispiel Walzen und Walzwerkzeuge, zum Beispiel Abrichtwalzen, Blechwalzen etc.

Als Eingangsmaterial kommen rotationssymmetrische Rohlinge aus harten oder gehärteten Werkstoffen zum Einsatz. Die Rohlinge können im ur- bzw. umgeformten (z. B. Gießen, Schmieden) oder im spanend bearbeiteten (z. B. Drehen) Zustand vorliegen. Weiterhin ist eine Vorbearbeitung im gehärteten Zustand, zum Beispiel durch Schleifen und konventionelles Hartdrehen, möglich. Das erfindungsgemäße Hartdrehen mit Formwerkzeugen erlaubt in diesem Fall die gezielte Herstellung von Funktionsflächen, wie z. B. Dichtflächen.

Die Werkstücke werden axial oder radial mechanisch oder magnetisch gespannt. Hierbei sind entsprechend der geforderten Qualität an die Werkstückgeometrie angepaßte Spannmittel zu verwenden.

Die Werkzeuge werden in der Praxis durch Ankratzen und einen Probeschnitt mit anschließend er Werkzeugkorrektur bzw. durch das Einmessen mittels optischer oder mechanischer Systeme (z. B. Meßmikroskope, Taster) eingerichtet.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die Durchführung des Verfahrens an einem Wälzlagerring,

Fig. 2 ein vergrößertes Oberflächenbild einer erfindungsgemäß hartgedrehten Zylinderfläche und

Fig. 3 die mit dem Verfahren erreichbaren Oberflächenparameter anhand eines Oberflächenprofils.

Fig. 1 zeigt schematisch die Drehbearbeitung eines bereits gehärteten Wälzlagerrings 1. Die Lagerfläche 2 wird mittels eines Werkzeuges mit rundem Schneidplättchen 3 auf das Endmaß gedreht. Zum Bearbeiten der zylindrischen Fläche 4 dient ein Werkzeug, das ein Schneidplättchen 6 mit gerader Schneidkante und nach vorne weisenden Anfasungen aufweist, und zum Bearbeiten der planen Stirnfläche 7 und der hinteren Planfläche 5 ein Werkzeug mit einem Schneidplättchen 8 mit gerader Schnittkante.

Die Zerspanung erfolgt analog zum konventionellen Hartdrehen durch Plastifizierung des gehärteten Werkstoffes. Diese wird durch die beim Zerspanprozeß entstehende Wärme in der Schnittzone hervorgerufen. Im Gegensatz zum konventionellen Hartdrehen liegt in der Regel eine wesentlich längere Kontaktbogenlänge zwischen Schneidkante und Werkstück bei gleichzeitig kleineren Spandicken vor.

Die geeigneten Schnittparameterbereiche werden unter anderem vom Werkstoff vom Vorbearbeitungszustand sowie von der zu erzeugenden Kontur beeinflußt. Weitere Restriktionen ergeben sich aus dem verwendeten Schneidstoff und den Kenngrößen der Werkzeugmaschine und der angestrebten Werkstückqualität. Für den vorliegenden Anwendungsfall des Drehens eines Wälzlagerrings im Durchmesserbereich von 10 bis 100 mm haben sich folgende Parameter als günstig erwiesen:
Schnittgeschwindigkeit v_c: 80-500 m/min;
Vorschub f: 0,005-0,05 mm;
Vorschubgeschwindigkeit v_f: 0,005-0,05 mm/U.

Fig. 2 zeigt die beim Hartdrehen mit dem Verfahren erreichbare Oberflächenqualität anhand des Oberflächenbildes einer Zylinderfläche. Verwendet wurde Stahl 100Cr6 mit einer Rockwell- Härte von 60 bis 62 HRC.

Beim Hartdrehen mittels Formwerkzeugen, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, wurde ein
arithmetischer Mittenrauhwert R_a = 0,058 µm
und eine mittlere Rauhtiefe R_z = 0,434 µm
erreicht.

Fig. 3 zeigt eine Analyse des erreichten Oberflächenprofils.

Die angegebenen Werte sind mit den bisher bekannten Verfahren nur mit einer abschließenden Feinbearbeitung, also z. B. Honen oder Feinschleifen zu erreichen.

Claims

1. Verfahren zur Semifinish- oder Finishbearbeitung von Oberflächen rotationssymmetrischer Abschnitte von Werkstücken aus hartem oder gehärtetem Werkstoff mittels Hartdrehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartdrehen mit mindestens einem Werkzeug, dessen Schneidkante eine der zu erzeugenden Geometrie der jeweiligen Bearbeitungsfläche des Werkstücks angepaßte Form aufweist und aus einem hochharten Schneidstoff besteht, mit einem Vorschub des Werkzeuges in Richtung auf die jeweilige Bearbeitungsfläche des Werkstücks erfolgt.

2. Drehwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Schneidkante eine der zu erzeugenden Geometrie der jeweiligen Bearbeitungsfläche (2, 4, 5, 7) des Werkstücks (1) angepaßte Form aufweist und aus einem hochharten Schneidstoff besteht.

3. Drehwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Fullface-Platte ausgebildet ist.

4. Drehwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine eingesetzte Schneidkante hat.

5. Drehwerkzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidstoff Keramik ist.

6. Drehwerkzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidstoff kubisches Bornitrid (CBN) ist.

7. Drehwerkzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidstoff Hartmetall ist.