DE19963897A1 - Verfahren zur drallfreien spanenden Bearbeitung von rotationssymmetrischen Flächen - Google Patents
Verfahren zur drallfreien spanenden Bearbeitung von rotationssymmetrischen FlächenInfo
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Abstract
Verfahren zur spanenden Bearbeitung von sich drehenden rotationssymmetrischen Werkstücken mit bestimmter Schneide, bei dem die entstehende rotationssymmetrische Oberfläche entweder keinen bzw. einen hinsichtlich Transportwirkung und abrasiver Wirkung nur unerheblichen Drall aufweist oder/und bei Bearbeitung der gehärteten Werkstückoberflächen eine besonders hohe Zerspanungsleistung erzielbar ist, wobei eine bezüglich der Rotationsachse des Werkstückes windschiefe Schneide in einer linearen Vorschubbewegung, quer zur Rotationsachse, am rotierenden Werkstück kontaktierend entlang geführt wird, wobei die Bearbeitungsparameter, insbesondere der Räumvorschub und die Schrägstellung der Schneide, so gewählt werden, dass der an der bearbeiteten Fläche auftretende Drall hinsichtlich Drallsteigung und/oder Dralltiefe minimal wird, insbesondere die Dralltiefe minimal wird.
Description
Die Erfindung betrifft die spanende Bearbeitung von sich drehenden,
insbesondere zentrischen rotationssymmetrischen Flächen, eines metallischen
Werkstücks, insbesondere aus Stahl oder aus Grauguß, auch in gehärtetem
Zustand mittels geometrisch bestimmter Schneide bzw. Schneiden.
Die Drehbearbeitung von rotationssymmetrischen Teilen sowohl im weichen als
auch im gehärteten Zustand mit geometrisch bestimmter Schneide ist Stand der
Technik. Teilweise werden dabei die Verfahren Schleifen, Finishen, Honen und
ähnliche Verfahren substituiert.
Schneidstoffe, die eine ausreichende Lebensdauer, auch für die Bearbeitung
gehärteter Werkstücke, bieten, stehen inzwischen in unterschiedlichen Ausfüh
rungsformen zur Verfügung.
Eine Bearbeitung nach dem Härten ist in der Regel notwendig, auch wenn die
Vorbearbeitung mit hoher Präzision erfolgt, da nach dem Härteprozeß in der
Regel zum Teil erhebliche Härteverzüge auftreten. Ein Prozeß, der die
Genauigkeit des Werkstückes wieder herstellt, ist somit unerläßlich.
Längsdrehen erzeugt stets eine Oberfläche, die drallbehaftet ist, und zwar
gleichgültig, welches Material bearbeitet wird bzw. ob dieses gehärtet oder
ungehärtet ist.
Diese Oberfläche weist regelmäßige Strukturen auf (Riefen oder gratförmige
Erhebungen), die einer Gewindestruktur (Drall) entsprechen und durch den
Vorschub des Werkzeuges entlang dem rotierenden Werkstück eine Steigung
erzeugen.
Dies gilt gleichermaßen für zylindrische, kegelige oder anders geformte
Werkstückoberflächen. Es liegen also beispielsweise Formen eines Gewindes
oder Teilstücke hiervon auf der zu erzielenden Oberfläche des Werkstückes vor.
Der formelmäßige Zusammenhang, der die Gewindetiefe bzw. Rauheit der
gewindeartigen Struktur beschreibt, ist in Fig. 3 erläutert.
Da die Zerspanungsdaten, insbesondere bei gehärteten Werkstücken für hohe
Oberflächengüten in der Regel sehr klein sind, kommt es häufig zu einem relativ
langsamen Bearbeitungsfortschritt bzw. einer geringen Zerspanungsleistung.
Während die relativ geringe Zerspanungsleistung einen deutlichen wirtschaftlichen
Nachteil bedeutet, bereiten die drallbehafteten Oberflächen Probleme bei hierauf
anliegenden Dichtungen, insbesondere, wenn sie sich relativ zu der Oberfläche
bewegen, zum Beispiel eine drehende Welle innerhalb einer stehenden Dichtung.
Dichtungen in diesem Sinne können etwa die bekannten Radialwellendichtringe
sein.
Eine derart drallbehaftete Oberfläche fördert mittels der gewindeförmigen Riefen
bzw. Grate entlang der Oberfläche Kühlmittel, Schmiermittel, etc. an der
anliegenden Dichtung vorbei, von der einen zur anderen Seite in Axialrichtung, so
daß die Dichtwirkung der Dichtung erheblich reduziert wird. Insbesondere bei
Maschinen, die z. B. aus hygienischen oder auch aus Umweltschutzgründen ohne
Leckage laufen müssen, stellt dies ein ernstzunehmendes Problem dar.
Zusätzlich werden die an der drallbehafteten Oberfläche anliegenden
Dichtungselemente an den Berührungslinien oder -flächen durch diese
gewindeförmigen Riefen oder Erhebungen vielfach mit der Zeit beschädigt, oder
zumindest stark abrasiv beansprucht. Durch diese Abnutzung oder Beschädigung
wird ebenfalls oft nach kurzer Zeit die Dichtwirkung erheblich herabgesetzt oder
aufgehoben.
Betrachtet man die zur Verfügung stehenden spanenden Bearbeitungsverfahren
am rotierenden Werkstück unter Betrachtung dieser beiden Problemstellungen, so
ergibt sich folgendes Bild:
Versucht man beim Drehen von rotationssymmetrischen Flächen die gewindeförmige Ausbildung dadurch zu vermeiden, daß das Werkzeug bezüglich des Werkstückes nur radial (Einstechdrehen) bewegt wird, so entsteht wegen der fehlenden Axialbewegung eine drallfreie Oberfläche. Wenn jedoch die Einstech schneide in axialer Richtung so breit ist wie die insgesamt herzustellende rotationssymmetrische Fläche, treten, besonders bei der Bearbeitung von gehärteten Oberflächen, sehr hohe Schnittkräfte auf und wegen der dynamischen Instabilität ist die Neigung zum Rattern hoch. Diese dynamischen Instabilitäten bzw. das Rattern führen fast schlagartig zu so starken Oberflächenunregel mäßigkeiten, daß hier die Oberfläche ebenfalls zur einwandfreien Abdichtung zu unregelmäßig ist.
Versucht man beim Drehen von rotationssymmetrischen Flächen die gewindeförmige Ausbildung dadurch zu vermeiden, daß das Werkzeug bezüglich des Werkstückes nur radial (Einstechdrehen) bewegt wird, so entsteht wegen der fehlenden Axialbewegung eine drallfreie Oberfläche. Wenn jedoch die Einstech schneide in axialer Richtung so breit ist wie die insgesamt herzustellende rotationssymmetrische Fläche, treten, besonders bei der Bearbeitung von gehärteten Oberflächen, sehr hohe Schnittkräfte auf und wegen der dynamischen Instabilität ist die Neigung zum Rattern hoch. Diese dynamischen Instabilitäten bzw. das Rattern führen fast schlagartig zu so starken Oberflächenunregel mäßigkeiten, daß hier die Oberfläche ebenfalls zur einwandfreien Abdichtung zu unregelmäßig ist.
Bewegt man den Einstechstahl zusätzlich bei breiteren herzustellenden Flächen
längs, d. h. in axialer Richtung, wird wieder naturgemäß eine drallbehaftete
Oberfläche erzeugt.
Es ist daher Stand der Technik und notwendig, daß der erzeugte Drall,
insbesondere die gewindeförmigen Drehriefen mit aufwendigen nachfolgenden
Zusatzverfahren ausreichend abgeschwächt oder ganz beseitigt werden müssen,
um eine einwandfreie Dichtwirkung zu gewährleisten.
Eine Möglichkeit, den Drall der Oberfläche (Drehriefen) zu vermeiden, könnte das
Drehräumverfahren sein, wobei das Räumwerkzeug in tangentialer Richtung am
rotierenden Werkzeug vorbeibewegt wird. Sind die einzelnen Schneiden des
Drehräumwerkzeuges parallel der Rotationsachse des Werkzeuges ausgerichtet,
so entsteht hierbei wieder die Problematik der hohen auf die Schneide wirkenden
Kräfte und damit der Hang zu dynamischen Instabilität und der Neigung zum
Rattern.
Bei einer Schrägstellung der Schneide beim Drehräumen, was zur Verminderung
des Druckes auf die Schneide führt, entsteht jedoch eine gewindeförmige
Reststruktur, da die Eingriffspunkte der Schneide am Werkstück unterschiedliche
Abstände (Radien) von der Rotationsachse des Werkstückes aufweisen.
Beim Drehräumen mittels eines scheibenförmigen Werkzeuges mit den
Schneiden auf dem Werkzeug-Umfang kommt beim Schrägstellen der in sich
geraden Schneide noch das Problem hinzu, daß dann eine ballig-konvexe statt
einer exakt zylindrischen Fläche am Werkstück erzeugt wird.
Weiterhin wird vielfach als zusätzliches Verfahren das Schleifen der Oberflächen
angewendet. Dies bedeutet, daß das Werkstück in der Regel auf einen anderen
Maschinentyp umzulagern ist. Die Stückkosten des Werkstückes werden daher
durch die Verlängerung der Prozeßkette, d. h. durch den Einsatz einer weiteren
Maschine, erheblich belastet und das wirtschaftliche Ergebnis somit deutlich
verschlechtert. Weiterhin soll bei der Endbearbeitung der Werkstücke nach
Möglichkeit auf das Schleifen verzichtet werden, da dieses in der Regel als
Naßverfahren geschieht und somit weitere Umwelt- und
Entsorgungsproblematiken über den Schleifschlamm entstehen und nach
heutigem Stand das wirtschaftliche Ergebnis weiter belasten.
Hinzu kommt, daß selbst beim Schleifen Drallstrukturen erzeugt werden, die
zunächst durch den Abrichtvorgang auf die Schleifscheibe aufgebracht werden
und sich schließlich auf dem Werkstück abbilden. Auch beim Finishen, bei dem
ein Schleifband oder ein Schleifelement an das Werkstück angelegt wird,
entstehen wegen der zusätzlichen Oszillation bzw. Längsbewegung des
Finishwerkzeuges relativ zum Werkstück drallbehaftete Oberflächenstrukturen.
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren zur spanenden
Bearbeitung von sich drehenden rotationssymmetrischen Werkstücken mit
bestimmter Schneide zu schaffen, bei dem die entstehende rotationsymmetrische
Oberfläche entweder keinen bzw. einen hinsichtlich Transportwirkung und
abrasiver Wirkung nur unerheblichen Drall aufweist oder/und bei Bearbeitung der
gehärteten Werkstückoberflächen eine besonders hohe Zerspanungsleistung
erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, daß das Auftreten und/oder Ausmaß
der Gewindeform der entstehenden Oberflächenstruktur durch die Größe der
Vorschubgeschwindigkeit der Schneiden in Relation zur vorhandenen
Schrägstellung der Schneide zur Rotationsachse des Werkstückes, dem
vorgegebenen Durchmesser und der Drehzahl des zu bearbeitenden Werkstückes
so beeinflußt werden kann, daß kein bzw. ein in der Praxis nicht mehr relevanter
Drall der bearbeiteten Oberfläche auftritt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese spezifische erfindungsgemäße Art
der Räumbearbeitung sehr viel schneller und mit geringerem Aufwand
durchzuführen ist als beispielsweise eine Schleif-, Finish- oder Honbearbeitung
(oder vergleichbares Verfahren) zur Beseitigung der Drallstruktur der Oberfläche.
So kann das erfindungsgemäße Drehräumverfahren auf einer normalen
Drehmaschine ebenso durchgeführt werden, wie auf einer Drehräummaschine mit
beispielsweise scheibenförmigem Werkzeuggrundkörper, sofern die für das
erfindungsgemäße Verfahren benutzte Schneide linear und quer, insbesondere
lotrecht, zur Rotationsrichtung des Werkstückes, insbesondere in tangentialer
Richtung an der zu bearbeitenden rotationssymmetrischen Fläche des
Werkstückes vorbeibewegt werden kann.
Sofern - je nach Verwendung des Werkstückes - die Drallminimierung bzw.
Drallfreiheit der zu erzeugenden Oberflächen nicht im Vordergrund steht, können
die Bearbeitungsparameter so verändert werden, daß die erzeugte Oberfläche
zwar drallbehaftet ist, die Zerspanungsleistung doch erheblich gesteigert werden
kann, was insbesondere bei der Bearbeitung gehärteter Werkstücke von
Bedeutung ist. Damit entsteht unter anderem ein sehr wirtschaftliches Verfahren
mit hohen Oberflächengüten.
Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden anhand der Figuren
beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Eine perspektivische Darstellung der Bearbeitungssituation,
Fig. 2 Eine Darstellung der Situation der Fig. 1 quer zur Rotationsrichtung
10 und zur Vorschubbewegung 3, und
Fig. 3 eine Darstellung der Situation beim Längsdrehen.
Zunächst ist in Fig. 3 dargestellt, wie sich z. B. beim Längsdrehen durch den in
Rotationsrichtung des Werkstückes bewegenden Schneidstahl und dessen
Schneidenrundung rE eine gewindeartige Oberfläche ergibt:
Bei gleichbleibendem Vorschub f, ausgedrückt in mm/Umdrehung des Werkstückes, entsteht eine helixförmige Riefe 5, deren Windungs-Abstand in Richtung der Rotationsachse 10 bei gleichbleibendem Vorschub f konstant ist. Die Tiefe t' dieser Riefen hängt dabei ersichtlich von der Größe des Eckenradius rE der erzeugenden Schneide ab: Je größer dieser Eckenradius rE ist, um so flacher fallen die Flanken der Riefe aus und damit wird die Tiefe t' um so geringer. Der formelmäßige Zusammenhang lautet:
Bei gleichbleibendem Vorschub f, ausgedrückt in mm/Umdrehung des Werkstückes, entsteht eine helixförmige Riefe 5, deren Windungs-Abstand in Richtung der Rotationsachse 10 bei gleichbleibendem Vorschub f konstant ist. Die Tiefe t' dieser Riefen hängt dabei ersichtlich von der Größe des Eckenradius rE der erzeugenden Schneide ab: Je größer dieser Eckenradius rE ist, um so flacher fallen die Flanken der Riefe aus und damit wird die Tiefe t' um so geringer. Der formelmäßige Zusammenhang lautet:
In der Einstellung wenigstens einer der Kanten der Schneide, insbesondere der
Nebenschneide, die zur Schneidenecke hinführen, in möglichst geringem Winkel,
vorzugsweise parallel, zur Richtung der Rotationsachse 10, liegt dabei in der
Regel die einzige gangbare Möglichkeit, um die Tiefe t' zu minimieren, da der
Vorschub f aufgrund vorgegebener Taktzeiten etc. in der Produktion nicht beliebig
reduziert werden kann.
Demgegenüber zeigen die Fig. 1 und 2 die erfindungsgemäße Situation:
Wie Fig. 1 zeigt, rotiert das Werkstück 1, an dem sich die zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche 1a befindet, um die Rotationsrichtung 10, bei Drehmaschinen oder Drehräummaschinen üblicherweise als Z-Richtung bezeichnet, auf denen die X- und Y-Richtung üblicherweise jeweils lotrecht stehen.
Wie Fig. 1 zeigt, rotiert das Werkstück 1, an dem sich die zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche 1a befindet, um die Rotationsrichtung 10, bei Drehmaschinen oder Drehräummaschinen üblicherweise als Z-Richtung bezeichnet, auf denen die X- und Y-Richtung üblicherweise jeweils lotrecht stehen.
Die zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche 1a besitzt in Z-Richtung 10
eine Breite b, und soll in der Regel als Anlagefläche für einen Radialwellen
dichtring oder vergleichbares Element bei der späteren Anwendung dienen.
Das Werkzeug 2 wird mit seiner schräg zur Z-Richtung stehenden Schneide 2a in
einer Vorschubrichtung 3, die parallel zu einer der Tangentenflächen an der
rotationssymmetrischen Fläche 1a ist, so quer zur Richtung der Rotationsachse
10 am Werkstück entlang geführt, dass die einzelnen Schneidenbereiche
nacheinander mit in Z-Richtung unterschiedlichen Bereichen der
rotationssymmetrischen Fläche 1a in Berührung kommen, wobei die Erstreckung
der Schneide 2a in Richtung der Rotationsachse, also in Rotationsrichtung 10,
gleich oder größer der Breite b der zu bearbeitenden Fläche a ist. Die
Vorschubrichtung 3 des Werkzeuges kann dabei in einer Ebene liegen, die
lotrecht zur Rotationsrichtung 10 des Werkstückes ist, also in einer Radialebene
des Werkstückes, oder in einer schräg zur Rotationsrichtung 10 liegenden Ebene
(Vorschubrichtung 3').
Betrachtet in Rotationsrichtung 10 des Werkstückes stellt (siehe Fig. 1a) die
Vorschubrichtung 3 bzw. 3' jedoch immer eine Tangente an den Soll-Durchmesser
der zu bearbeitenden rotationssymmetrischen Fläche dar.
Das Werkstück 1 rotiert während der Bearbeitung in einer Drehrichtung 7 so, dass
im Kontaktbereich zwischen Schneide 2a und zu bearbeitender Fläche 1a die
Oberfläche des Werkstückes 1 gegen die Schneide 2a läuft.
Die Aufsicht in Y-Richtung der Fig. 2 zeigt den Schrägstellungswinkel α
gegenüber der Rotationsrichtung 10 des Werkstückes 1 und die in der Aufsicht im
rechten Winkel zu dieser Rotationsrichtung verlaufende Vorschubbewegung 3 der
Schneide 2a.
Auf Grund der vom rechten zum linken Eck der Schneide 2a der Fig. 2 bei der
Bearbeitung ablaufenden Schalbewegung ergibt sich die gewindeartige
Oberflächenstruktur gemäß Fig. 2. Diese Oberflächenstruktur wird gebildet durch
eine gewindeartige Riefe 5, deren einzelne Windungen unmittelbar in
Längsrichtung des Werkstückes aneinander angrenzen, und zwischen sich einen
Gewindegrat 6 bilden.
Die Riefen 5 sind gegenüber der Realität stark übertrieben dargestellt. Die Tiefe
der Riefe 5 wird als Dralltiefe t bezeichnet, während der in Rotationsrichtung 10
gemessene Abstand zwischen zwei Windungen des Grates 6 bzw. der Riefen 5
als Drallsteigung s bezeichnet wird.
Die Schneide 2a kann auch entlang einer Vorschubbewegung 3', die quer zur
Rotationsachse 10 und insbesondere lotrecht auf der Schneide 2a steht,
bezüglich des Werkstückes 1 bewegt werden, wobei dann eine etwas geringere
Breite der Schneide 2a erforderlich ist.
Die Drallsteigung s hängt von dem Räumvorschub f, der den Fortschritt in
Vorschubbewegung 3, gemessen in Millimetern pro Umdrehung des Werkstückes
angibt, und von dem Schrägstellungswinkel α wie folgt ab:
Die Dralltiefe t hängt vom bis zu den Tälern zwischen den Graten 6 gemessenen
Radius (Kerndurchmesser) des Werkstückes an der zu bearbeitenden Fläche 1a
und dem Räumvorschub f wie folgt ab:
Auf Grund der Darstellung der Fig. 2 wird klar, dass bei Erreichen einer Dralltiefe
t = 0 oder wenigstens t < 1 µm, insbesondere t < 0,4 µm, insbesondere t < 0,2 µm
die Größe der Drallsteigung s keine Rolle mehr spielt.
In erster Linie wird daher beabsichtigt, den Räumvorschub f so niedrig wie
möglich zu halten, insbesondere so niedrig, daß die Dralltiefe t wesentlich kleiner,
insbesondere mindestens um den Faktor 3, besser um den Faktor 5, kleiner, als
die Rauhtiefe Rz der so erzeugten Oberfläche wird. Die Rauhtiefe Rz liegt
üblicherweise im Bereich zwischen 1,5 µm und 6 µm.
1
Werkstück
1
a rotationssymmetrische Fläche
2
Werkzeug
2
a Schneide
3
,
3
' Vorschubbewegung
4
Tangente
5
Riefe
6
Grat
7
Drehrichtung
8
Arbeitslinie
10
Z-Richtung, Rotationsachse
11
X-Richtung
12
Y-Richtung
f Räumvorschub
α Schrägstellungswinkel
r Werkstückradius
s Drallsteigung
t Dralltiefe
b Breite der Fläche
f Räumvorschub
α Schrägstellungswinkel
r Werkstückradius
s Drallsteigung
t Dralltiefe
b Breite der Fläche
1
a
Rz
Rz
Rauhtiefe
Claims (6)
1. Verfahren zum spanenden Bearbeiten von rotationssymmetrischen Flächen
(1a) bei rotierendem Werkstück (1),
dadurch gekennzeichnet, dass
eine bezüglich der Rotationsachse (10) des Werkstückes (1) windschiefe
Schneide (2a) in einer linearen Vorschubbewegung (3, 3'), quer zur
Rotationsachse (10), am rotierenden Werkstück (1) kontaktierend entlang geführt
wird, wobei die Bearbeitungsparameter, insbesondere der Räumvorschub (f), und
die Schrägstellung (α) der Schneide, so gewählt werden, dass der an der
bearbeiteten Fläche (1a) auftretende Drall hinsichtlich Drallsteigung (s) und/oder
Dralltiefe (t) minimal wird, insbesondere die Dralltiefe (t) minimal wird.
2. Verfahren zum spanenden Bearbeiten von rotationssymmetrischen Flächen
(1a) bei rotierendem Werkstück (1),
dadurch gekennzeichnet, dass
eine bezüglich der Rotationsachse (10) des Werkstückes (1) windschiefe
Schneide (2a) in einer linearen Vorschubbewegung (3, 3'), quer zur
Rotationsachse (10), am rotierenden Werkstück (1) kontaktierend entlang geführt
wird, wobei die Bearbeitungsparameter, insbesondere der Räumvorschub (f), bei
der Bearbeitung einer gehärteten rotationssymmetrischen Fläche (1a) so gewählt
werden, dass die sich ergebende Zerspanungsleistung maximal wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die lineare Vorschubbewegung (3, 3') in einer Tangentialebene der
rotationssymmetrischen Fläche (1a) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schneide (2a) eine in sich gerade Schneide (2a) ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schrägstellung der Schneide (2a) gegenüber der Rotationsachse (10)
zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen 20° und 50°, beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Räumvorschub relativ zur Schrägstellung (α) der Schneide, dem
Durchmesser der zu bearbeitenden rotationssymmetrischen Fläche (1a) so
gewählt wird, dass die auf der Oberfläche des Werkstückes durch die Bearbeitung
entstehenden Riefen (5) hinsichtlich Drallsteigerung und Dralltiefe keinen bzw.
einen vernachlässigbar geringen Gewindeeffekt aufweisen.
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