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Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten
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einer Rohkugel zu einer Rundkugel Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß
zunächst auf ein Verfahren zum Bearbeiten einer Rohkugel zu einer Rundkugel, wobei
die Rohkugel mit diametraler Einspannachse eingespannt, um die Einspannachse rotierend
angetrieben und nacheinander mit verschiedenen Topfwerkzeugen, die um ihre Topfachse
rotieren, bearbeitet wird. Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf eine Vorrichtung
zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit Maschinengestell, Einspann- und Antriebsaggregat
für
die zu bearbeitende Kugel und Werkzeugaggregat mit rotierenden,
in Richtung auf die zu bearbeitende Kugel zustellbaren Topfwerkzeugen. - Rohkugeln
bezeichnet im Rahmen der Erfindung Kugeln aus Metall, Oxidkeramik oder ähnlichen
spanabhebend und/oder schleifend bearbeitbaren Werkstoffen, vorzugsweise Stahlkugeln,
deren Rundheit erhebliche Toleranzen aufweist und deren Oberflächengüte nicht ausreichend
ist. Sie mögen durch Gießen unter Verwendung geeigneter Formen, durch Abdrehen eines
beliebig hergestellten Rohlings auf einer Drehbank durch Zusammenschweißen aus zwei
Halbschalen oder auf andere Weise vorbereitet sein.
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Topfwerkzeuge bezeichnet Werkzeuge, die grundsätzlich topfförmige
Gestalt aufweisen, wobei der Topfrand mit Fräswerkzeugen (z. B. spanabhebend arbeitenden
Schneidplatten aus Hartmetall), Schleifwerkzeugen in Form von Grob- oder Feinschleifsteinen
besetzt ist und wobei die Rotationsachse mit der Topfachse zusammenfällt. Die Einspannung
kann eine Zapfeneinspannung sein, wenn die zu bearbeitende Kugel einen Zapfen aufweist.
Die Einspannung kann auch auf einem Dorn erfolgen, wenn es sich um eine Lochkugel
handelt. Die Einspannung kann endlich auch zwischen zwei Spitzen oder äquivalenten
Bauteilen erfolgen, wenn es sich um die Bearbeitung von zapfenlosen Kugeln handelt.
Insbesondere beschäftigt sich die Erfindung mit der Bearbeitung von Ventilkugeln
großen Durchmessers, die in Pipelines u. dgl. eingesetzt werden. Hier werden bekanntlich
hohe Anforderungen sowohl an die Rundheit als auch an die Oberflächengüte gestellt.
Kugeln, die nach Bearbeitung diese Forderungen erfüllen, werden als Rundkugeln bezeichnet.
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Im Rahmen der bekannten Maßnahmen der beschriebenen Gattung (Machinery,
1956, S. 1237 bis 1245) wird mit Topfwerkzeugen gearbeitet, deren Topfachse die
Einspannachse im Kugelmittelpunkt schneidet. Das hat sich an sich bewährt und führt
aus geametrischen Gründen zu optimaler Kugelform im Bearbeitungsbereich, der
ohne
weiteres allerdings nur einen Kugelausschnitt darstellt. Wenn es sich jedoch um
die Bearbeitung von Rohkugeln handelt, bei denen die Kugelform erhebliche Toleranzen
und die Oberfläche nur geringe Güte aufweist, so läßt sich oft nicht verhindern,
daß bei der ersten Bearbeitungsstufe die Oberfläche erhebliche Markierungen in Form
von sog. Rattermarken erfährt. Das gilt insbes., wenn in der ersten Bearbeitungsstufe
mit Fräswerkzeugen spanabhebend gearbeitet wird. Das beruht auf Schwingungserscheinungen,
die im ganzen stören, während darüber hinaus die Rattermarken aufwendig in weiteren
Bearbeitungsstufen wieder abqearbeitet werden müssen. Auch führen die Schwingungserscheinungen
zu vorzeitiger Werkzeugzerstörung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anzugeben, wie beim Bearbeiten
einer Rohkugel zu einer Rundkugel vorgegangen werden muß, damit beim Bearbeiten
Rattermarken und ähnliche Störungen nicht auftreten, und zwar auch dann nicht, wenn
es sich um Rohkugeln handelt, die erhebliche Toleranzen in bezug auf die Rundheit
und Oberflächen geringer Oberflächengüte aufweisen.
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Ausgehend von dem gattungsgemäßen Verfahren besteht die Lösung der
angegebenen Aufgabe verfahrensmäßig darin, daß die Rohkugel in einer ersten Bearbeitungsstufe
lediglich von einem Randsektor eines Topfwerkzeuges geschält und danach von dem
vollen kreisförmigen Rand eines anderen Topfwerkzeuges rundbearbeitet wird. Dabei
hat das Topfwerkzeug der ersten Bearbeitungsstufe im allgemeinen Fräswerkzeuge für
spanabhebende Bearbeitung oder auch Werkzeuge für das sog. Grobschleifen. Dabei
hat das Topfwerkzeug für die zweite Bearbeitungsstufe Werkzeuge für das sog. Feinschleifen.
Die erste Bearbeitungsstufe kann also Fräsen oder Grobschleifen sein. Diese allgemeine
Anweisung ist, exakt formuliert, dadurch gekennzeichnet,
daß die
Rohkugel in einer ersten Bearbeitungsstufe mit einem Topfwerkzeug geschält wird,
dessen Topfachse in einer Projektion orthogonal zur Einspannachse die Einspannachse
im wesentlichen rechtwinklig schneidet, in einer Projektion in Richtung der Einspannachse
jedoch in bezug auf die Einspannachse und damit in bezug auf den Mittelpunkt der
Rohkugel versetzt ist, und daß die geschälte Rohkugel danach in einer zweiten oder
in mehreren zweiten Bearbeitungsstufen, jedoch in der gleichen Einspannung, mit
einem weiteren Topfwerkzeug rundgearbeitet wird, dessen Topfachse in einer Projektion
orthogonal zur Einspannachse die Einspannachse rechtwinklig schneidet, aber auch
in einer Projektion in Richtung der Einspannachse die Einspannachse schneidet.
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Um den Schälvorgang in einer verhältnismäßig kurzen Bearbeitungszeit
durchzuführen, wird nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung in der ersten
Bearbeitungsstufe die Topfachse des Topfwerkzeuges so versetzt, daß sie unter der
Einspannachse verläuft und nur der der Rotationsrichtung entgegengesetzte Rand mit
der Rohkugel inKontakt gebracht wird, während der übrige Rand dieses Topfwerkzeuges
frei ist und keinen Bearbeitungskontakt erfährt. Diese Versetzung läßt sich grundsätzlich
auf verschiedene Weise erreichen. So kann in der ersten Bearbeitungsstufe die Topfachse
des entsprechenden Topfwerkzeuges durch Schwenken versetzt werden. Sie kann aber
auch durch Parallelverschiebung versetzt werden. Jedenfalls ist bei normalem Bearbeitungsablauf
die Erfindung zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Bearbeitungsstufe
mit einem Topfwerkzeug gearbeitet wird, dessen Rand mit Fräswerkzeugen oder Grobschleifwerkzeugen
besetzt ist, und in der zweiten Bearbeitungsstufe mit
einem Topfwerkzeug
gearbeitet wird, dessen Rand mit Schleifwerkzeugen, insbes. Feinschleifwerkzeugen,
besetzt ist.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen die Werkzeuge selbstverständlich
auch zugestellt werden. Das geschieht mit einer bestimmten Zustellkraft, mit der
die Topfwerkzeuge gegen die zu bearbeitende Kugel gefahren werden. Dabei wird die
Maschine insgesamt und wird insbes. die Einspannung unvermeidbar und gewollt ein
wenig elastisch verformt. Regelmäßig wird man nach Zustellung mit bestimmter Zustellkraft
die Zustellung blockieren, so daß lediglich die Reaktionskraft aus der elastischen
Verformung den Kontaktdruck zwischen zu bearbeitender Kugel und Topfwerkzeug bei
der Bearbeitung bestimmt. Bei dieser Arbeitsweise wird nach einer bestimmten Bearbeitungszeit
die Zustellung wiederholt, erneut blockiert uswf (vgl. DT-AS 17 52 874). Wenn mit
Schleifwerkzeugen auch in der ersten Bearbeitungsstufe gearbeitet wird, so liegt
es jedoch im Rahmen der Erfindung, sowohl in der ersten Bearbeitungsstufe als auch
in der zweiten Bearbeitungsstufe die Topfwerkzeuge mit konstanter Zustellkraft und
ohne Blockierung gegen die zu bearbeitende Kugel zu fahren. Selbstverständlich wird
man in beiden Fällen die Auslegung der Maschine so treffen, daß durch die Zustellkräfte
störende elastische Verformungen der Maschine nicht auftreten.
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Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren ohne störende Rattermarken oder sonstige Schwingungserscheinungen die
Bearbeitung einer Rohkugel zu einer Rundkugel mit hoher Oberflächengüte durchgeführt
werden kann.
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Vorzeitige Werkzeugzerstörungen treten nicht mehr auf. Dabei wird
in der ersten Bearbeitungsstufe in Kauf genommen, daß durch den Kontakt der Rohkugel
mit dem versetzten Topfwerkzeug eine
exakte Kugelfläche nicht entsteht.
In der zweiten Bearbeitungsstufe schleift sich diese Ungenauigkeit jedoch ohne Schwierigkeiten
und in kurzen Bearbeitungszeiten ab, so daß gleichzeitig mit dem Feinschleifen zur
Erreichung der Oberflächengüte auch optimale Kugelform erreicht wird. Von besonderem
Vorteil ist die Tatsache, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit einer einfachen
Maschine durchgeführt werden kann, die im folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert wird. Es zeigen in schematischer
Darstellung Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 2
einen Schnitt in Richtung A-A durch den Gegenstand nach Fig. 1, Fig. 3 in gegenüber
der Fig. 2 vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus dem Gegenstand der Fig. 2,
Fig. 4 eine andere Ausführungsform des Gegenstandes der Fig. 3.
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Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung dient zum Bearbeiten einer
Rohkugel 1 zu einer Rundkugel. Es mag sich im Ausführungabeispiel um die Bearbeitung
einer Ventilkugel großen Durchmessers aus Stahl handeln.
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Zur Vorrichtung gehört zunächst ein Maschinengestell 2 mit Einspann-
und Antriebsaggregat 3 für die zu bearbeitende Kugel 1 und ein Werkzeugaggregat
4 mit rotierenden, in Richtung auf die
zu bearbeitende Kugel 1
zustellbaren Topfwerkzeugen 5,6. Dabei ist einerseits ein Topfwerkzeug 5 für eine
schälende Bearbeitung und andererseits ein Topfwerkzeug 6 für eine feinschleifende
Bearbeitung vorgesehen. Aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 und 2 entnimmt
man, daß das Topfwerkzeug 5 für die schälende Bearbeitung im Werkzeugaggregat 4
eine in einer Projektion orthogonal zur Einspannachse 7 senkrecht zur Einspannachse
7 verlaufende Topf- und damit Rotationsachse 8 aufweist, aber, in Richtung der Einspannachse
7 betrachtet, in bezug auf die Einspannachse 7 in Rotationsrichtung versetzt ist.
Das Topfwerkzeug 6 für die feinschleifende Bearbeitung besitzt zunächst ebenfalls
eine in einer Projektion orthogonal zur Einspannachse 7 senkrecht zur Einspannachse
verlaufende Topf- und damit Rotationsachse 9, schneidet aber die Einspannachse auch
in einer Projektion in Richtung der Einspannachse 7. Um die Versetzung des Topfwerkzeuges
5 für die schälende Bearbeitung zu erreichen und wählbar zu machen, ist das Topfwerkzeug
5 für die schälende Bearbeitung in einem Werkzeugschlitten lo für die Zustellbewegung
angeordnet, der entweder zusätzlich auf und nieder verstellbar ist (Fig. 3) oder
aber exzentrisch zur Einspannachse 7 schwenkbar ist (Fig. 4). Lediglich zur besseren
Verdeutlichung sind diese Verstellungen star übertrieben dargestellt. Im Ausführungsbeispiel
und nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind das Topfwerkzeug 5 für die
schälende Bearbeitung einerseits, das Topfwerkzeug 6 für die feinschleifende Bearbeitung
andererseits einander mehr oder weniger diametral gegenüberliegend angeordnet. Entsprechend
sind also auch die Werkzeugschlitten lo, 11 angeordnet. - Die Einspann- und Antriebsvorrichtung
ist grundsätzlich beliebig. Sie besitzt im Ausführungsbeispiel ein Lagerbett 12
mit einem Spindelschlitten 13 mit Rotationsantrieb 14 sowie einen Reitstockschlitten
15 mit Reitstock 16.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen die Verhältnisse in der ersten Bearbeitungsstufe,
in der die Rohkugel 1 mit dem ersten Topfwerkzeug 5 geschält wird. Man erkennt,
daß die Rohkugel 1 in dieser ersten Bearbeitungsstufe lediglich von einem Randsektor
17 der Topfscheibe 5 für die schälende Bearbeitung bearbeitet wird. In der zweiten
Bearbeitungsstufe hat sie dann vollen und geometrisch exakt eine Kugelform definierenden
Kontakt mit dem kreisförmigen Rand 18 der Topf scheibe 6 für die feinschleifende
Bearbeitung.