DE3234669A1 - Method and device for producing steel parts having at least two bores - Google Patents

Abstract

A method is described by means of which parts of a ball positioning system can be produced cost-effectively by tapered bores being made in unhardened steel and by the steel parts being subjected locally to martensite hardening in the area of the bore walls, preferably by means of laser beam.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Fertigen von Stahl- Method and device for manufacturing steel

teilen mit mindestens zwei Bohrungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fertigen von Stahlteilen, die in einer ebenen Fläche mindestens zwei, im wesentlichen kegelige Positionierbohrungen aufweisen. share with at least two bores The invention relates to a method and a device for manufacturing steel parts in a flat surface at least have two, essentially conical positioning bores.

Derartige Stahlteile in Form von Platten, Blöcken usw.Such steel parts in the form of plates, blocks, etc.

bilden Teile eines Spann- und Montagesystems, das in der DE-PS 25 37 146 offenbart ist.form parts of a clamping and assembly system that is described in DE-PS 25 37 146 is disclosed.

Bei diesem bekannten Positioniersystem weisen die zueinander zu positionierenden Bauteile in einander zugekehrten ebenen Flächen je mindestens zwei, vorzugsweise kegelige Bohrungen auf, die paarweise einander gegenüberliegen. Die Tiefe der Bohrungen ist so bemessen, daß eine zwischen zwei Bohrungen eingelegte Kugel die beiden ebenen Flächen noch in einem geringen Abstand hält. Beim Zusammenspannen werden dann die Kugeln und die Bohrungen elastisch deformiert, und die beiden Bauteile werden dabei mit extrem hoher Wiederholgenauigkeit zueinander positioniert.In this known positioning system, the positions to be positioned relative to one another have Components in facing flat surfaces each at least two, preferably tapered bores that are opposite to each other in pairs. The depth of the holes is so dimensioned that a ball inserted between two holes the two flat surfaces still keep a small distance. When clamping together the balls and the bores are then elastically deformed, and the two components are positioned in relation to one another with extremely high repeat accuracy.

Die vorbeschriebenen Systeme und Einrichtungen sollen im folgenden als "Kugelpositioniertechnåk" bezeichnet werden. Mit ihrer Hilfe lassen sich zu bearbeitende Werkstücke relativ zu Aufspannvorrichtungen positionieren, Aufspannvorrichtungen relativ zu anderen Aufspannvorrichtungen positionieren, oder auch Bauteile während der Montage zueinander positionieren.The systems and devices described above are intended in the following referred to as "Kugelpositioniertechnåk". With their help you can admit Position workpieces to be processed relative to clamping devices, clamping devices position relative to other fixtures, or components during position to each other during assembly.

Bei Anwendung der Kugelpositioniertechnik auf Aufspannplatten oder andere Spannkomponenten oder auch Werkzeugmaschinentische sind in das Werkstück zahlreiche solcher kegeligen Bohrungen in einem vorgegebenen Raster einzubringen. Die Fertigung solcher Bauteile ist dann problematisch, wenn gleichzeitig hohe Genauigkeit, geringer Verschleiß und kostengünstige Herstellung verlangt sind.When using ball positioning technology on clamping plates or other clamping components or machine tool tables are in the workpiece to introduce numerous such tapered holes in a predetermined grid. The production of such components is problematic if at the same time high accuracy, low wear and tear and inexpensive manufacture are required.

Damit nämlich der Vorteil der Kugelpositioniertechnik voll zur Geltung kommt, müssen die kegeligen Bohrungen mit höchster Genauigkeit, also etwa Toleranzen in der Größenordnung von höchstens 0,02 mm, sowohl hinsichtlich ihrer Tiefe als auch hinsichtlich ihres Achsabstandes von irgendeinem Bezugsmaß, etwa einer Achse einer zweiten Borhung oder einer Bauteilkante, eingebracht werden. Mit entsprechenden spanabhebenden Werkzeugen läßt sich dies relativ kostengünstig ausführen.This means that the advantage of the ball positioning technology can be fully realized comes, the tapered bores must be extremely precise, i.e. tolerances on the order of at most 0.02 mm, both in terms of their depth and also with regard to their center distance from any reference dimension, such as an axis a second borehole or a component edge. With appropriate This can be done relatively inexpensively with cutting tools.

Um ein solches Bauteil verschleißarm zu machen, bietet es sich an, es zu härten. Hierfür kann man beispielsweise eines der bekannten Einsatzhärtverfahren verwenden. Dabei ist es aber unvermeidlich, daß sich das Werkstück verzieht, und die oben angegebenen Toleranzen lassen sich auf keinen Fall einhalten, sobald das Werkstück eine gewisse Größe überschreitet.In order to make such a component wear-resistant, it is advisable to to harden it. One of the known case hardening processes can be used for this purpose, for example use. But it is inevitable that the workpiece will warp, and the tolerances given above cannot be adhered to under any circumstances as soon as the Workpiece exceeds a certain size.

Man sieht sich deshalb genötigt, die spanabhebende Bearbeitung erst nach dem Härten durchzuführen. Für die planen Flächen ist dies relativ kostengünstig, da Flächenschleifmaschinen hochproduktiv sind. Anders aber bei den Bohrungen: Das Schleifen der kegeligen Bohrungen auf Maß erfordert unverhältnismäßig lange Zeit, so daß eine Komponente eines solchen Spannsystems mit z. B. einigen hundert Positionierbohrungen unbezahlbar würde.You therefore feel compelled to start machining first to be carried out after hardening. This is relatively inexpensive for flat surfaces, because surface grinding machines are highly productive. But it is different with the bores: That Grinding the tapered bores to size requires a disproportionately long time, so that a component of such a clamping system with z. B. a few hundred positioning holes would be priceless.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem die extrem hohe Genauigkeit kostengünstig erreicht wird und das Werkstück zugleich verschleißarm ist.The object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the beginning To create a genus in which the extremely high accuracy is achieved inexpensively and the workpiece is at the same time low-wear.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 definiert; die Unteransprüche definieren zweckmäßige bzw. kostengünstige Weiterbildungen des Verfahrens sowie Vorrichtungen zur Durchführung bestimmter Verfahrensschritte.The solution to this problem provided according to the invention is set out in the patent claim 1 defined; the subclaims define expedient or inexpensive further developments of the process as well as devices for carrying out certain process steps.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Überlegung, daß im Zusammenhang mit den hier in Rede stehenden Bauteilen Verschleißarmut im Grunde nur im Bereich der kegeligen Bohrungswandungen benötigt wird, wo sich die Kugeln abstützen. Daraus resultiert die Überlegung, daß man auch nur dort zu härten braucht, und daß bei einer solchen Arbeitsweise das Werkstück nur sehr kurz und auf einem vergleichsweise winzigen Teil seiner Oberfläche erhitzt und abgekühlt zu werden braucht.The solution according to the invention is based on the consideration that in connection with the components under discussion here, basically only low wear in the area the conical bore walls is required where the balls prop up. This leads to the idea that one only needs to harden there, and that in such a way of working the workpiece only very briefly and on one comparatively tiny part of its surface to be heated and cooled needs.

Im Ergebnis tritt deshalb kein Verzug ein. Falls erwünscht, kann man in ähnlicher Weise -- also ebenfalls durch lokales Martensithärten -- auch die Oberflächenbereiche zwischen den Bohrungen verschleißarm machen, vorausgesetzt, daß das Werkstück immer nur lokal gehärtet wird, um Verzug unmöglich zu machen.As a result, therefore, there is no delay. If desired, you can in a similar way - also through local martensite hardening - also the surface areas make wear-resistant between the bores, provided that the workpiece is always is only hardened locally in order to make warpage impossible.

Aus ästhetischen Gründen kann man noch eine Politur vornehmen, und/oder man kann die Bezugsebene überschleifen.For aesthetic reasons, you can still polish and / or you can grind the reference plane.

Die lokale Erwärmung kann z. B. mittels eines Hochleistungslasers erfolgen. Dabei wird die Bohrungswandung innerhalb von z. B. einer Sekunde hinreichend hoch erhitzt, so daß man den Laser abschalten und die erhitzten Bereiche abschrecken kann. Bei Versuchen mit einem 4-KW-CO2-Laser hat sich gezeigt, daß die dabei entstehenden Temperaturgradienten im Werkstück so groß werden, daß allein durch die Wärmeleitung in das Werkstückmaterial hinein die kritische Abkühlgeschwindigkeit für die Härtung unterschritten wird.The local warming can e.g. B. by means of a high-power laser take place. The bore wall is within z. B. one second is sufficient heated high so that you turn off the laser and quench the heated areas can. Tests with a 4 KW CO2 laser have shown that the resulting Temperature gradients in the workpiece are so large that solely through thermal conduction the critical cooling rate for hardening into the workpiece material is fallen below.

In anderen Fällen mag es notwendig sein, einen Kühlfluidstrahl nach dem Erhitzen von außen auftreffen zu lassen.In other cases it may be necessary to apply a jet of cooling fluid to allow the heating to impinge from the outside.

Anstelle eines Laserstrahls kann man auch einen Elektronenstrahl anwenden; man kann eine induktive Heizung vorsehen oder auch einen Gas- oder Plasmastrahl verwenden.Instead of a laser beam, an electron beam can also be used; inductive heating or a gas or plasma jet can be provided use.

Unter czugnahmc auf die bcigcfgten Zeichnungen soll die Erfindung nachstehend im einzelnen erläutert werden.With reference to the drawings shown, the invention is intended will be explained in detail below.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Spannplatte, die zum Beispiel der Tisch einer Werkzeugmaschine sein kann, mit Bohrungen für die Kugelpositioniertechnik, Fig. 2 zeigt stark vergrößert einen Schnitt durch eine Positionierstelle. Fig. 1 shows part of a clamping plate, for example the table a machine tool, with holes for ball positioning technology, Fig. 2 shows a greatly enlarged section through a positioning point.

Fig. 3 stellt weitgehend schematisiert eine Vorrichtung zum Erhitzen der Bohrungswandung dar. 3 shows a device for heating in a largely schematic manner the bore wall.

Fig. 4 stellt eine weitere Vorrichtung zum Erhitzen der Bohrungswandung dar, und Fig. 5 zeigt eine Variante der Vorrichtung nach Fig. 4. Fig. 4 shows a further device for heating the bore wall and FIG. 5 shows a variant of the device according to FIG. 4.

Fig. 1 zeigt, weitgehend schematisiert, eine Spannplatte 10 mit den üblichen T-Nuten 12. Parallel zu den T-Nuten verlaufen Reihen von konischen Bohrungen 14, von denen nur drei zeichnerisch dargestellt sind; für die übrigen ist die Lage der Mittelpunkte durch Kreuzsymbole markiert.Fig. 1 shows, largely schematically, a clamping plate 10 with the usual T-slots 12. Rows of conical bores run parallel to the T-slots 14, of which only three are shown in the drawing; for the rest is the situation the center points marked by cross symbols.

Man erkennt demgemäß die Rasteranordnung. Dieses Bohrungsraster ist bezüglich der Referenzflächen 16, 18 der Spannplatte genau räumlich festgelegt, und zwar sowohl hinsichtlich der Lage des Gesamtrasters im Raum als auch hinsichtlich des Abstands der Rasterpunkte (=Bohrungen) von den Referenzflächen. - Auf der Spannplatte ist ein Bauteil 20 aufgelegt und kann mittels üblicher, in die T-Nuten eingreifender Spannschrauben gegen die Oberfläche 22, die die Bezugsebene für die Tiefe der Bohrungen 14 darstellt, der Spannplatte gezogen werden, wobei das Bauteil 20 ein zu bearbeitendes Werkstück oder auch ein weiteres, zum Spannsystem gehörendes Bauteil sein kann. Jedenfalls weist es mindestens zwei kegelige Bohrungen gleich denen der Spannplatte auf, jedoch der Fläche 22 zugekehrt und mit Kugeln 24 dazwischen eingelegt. Im Bereich jeder solchen Positionierstelle ergibt sich im Schnitt das Bild nach Fig. 2.The grid arrangement can accordingly be seen. This hole grid is precisely defined spatially with respect to the reference surfaces 16, 18 of the clamping plate, both in terms of the position of the overall grid in space and in terms of the distance between the grid points (= holes) and the reference surfaces. - On the clamping plate a component 20 is placed and can be used by means of conventional, engaging in the T-slots Tension screws against surface 22, which is the reference plane for the depth of the holes 14 illustrates the clamping plate being pulled, the component 20 being a to be machined Be a workpiece or another component belonging to the clamping system can. In any case, it has at least two conical bores equal to those of the clamping plate on, but facing the surface 22 and inserted with balls 24 in between. In the area Each such positioning point is shown in section as shown in FIG. 2.

Die Kugelpositioniertechnik ist genau genug, im Rahmen auch sehr strenger Toleranzen das Bauteil 20 wiederholbar sehr genau relativ zu den Referenzflächen der Spannplatte zu positionieren.The ball positioning technique is precise enough, and also very strict within the framework Tolerances the component 20 repeatably very precisely relative to the reference surfaces to position the clamping plate.

Dies gilt jedenfalls im ~Neuzustand" der Spannplatte.This applies in any case when the clamping plate is "new".

Damit diese Genauigkeit über lange Zeit erhalten bleibt, ist der Bereich der Bohrungswand gehärtet. Dieser Bereich ist in Fig. 2 bei 26 schraffiert, und in der Tat kann man bei einer Betrachtung eines Schliffs tatsächlich anhand der Farbunterschiede die gehärteten und die ungehärteten Bereiche deutlich unterscheiden. In Fig. 2 ist auch angedeutet, daß das Bauteil 20 keine gehärtete Bohrungswandung aufweist, da es sich hier um ein Werkstück handeln soll, bei dem die Positionierbohrungen nur einmal oder wenige Male zum lagegenauen Aufspannen Anwendung finden.The range is to maintain this accuracy over a long period of time the bore wall hardened. This area is hatched in Fig. 2 at 26, and in fact when looking at a cut one can actually look at the Differences in color clearly distinguish the hardened and unhardened areas. In Fig. 2 it is also indicated that the component 20 does not have a hardened bore wall has, since this is to be a workpiece in which the positioning holes can only be used once or a few times for precise positioning.

Wie eingangs erwähnt, ist es erprobt, das lokale Martensithärten mittels Lagerstrahl oder einem anderen energiereichen Strahl derart schnell durchzuführen, daß die umgebenden Bereiche im wesentlichen kalt bleiben, als Wärmesenke bei der Abkühlung dienen und somit das Werkstück im wesentlichen verzugsfrei bleibt.As mentioned at the beginning, local martensite hardening has been tried and tested To carry out a bearing jet or another high-energy jet so quickly, that the surrounding areas remain essentially cold, as a heat sink in the Serve cooling and thus the workpiece remains essentially free of distortion.

Fig. 3 - 5 zeigen weitere mögliche Einrichtungen zum Erhitzen der Bohrungswandungen.3 - 5 show further possible devices for heating the Bore walls.

Gemäß Fig. 3 ist eine Wicklung 30 -- im Extremfall nur aus einer einzigen Windung bestehend -- in die Bohrung 14 eingetaucht; die Wicklung ist abgebrochen dargestellt und in einem Kopf 32 einer Welle 34 gehaltert, so daß durch Drehen der Wicklung während der induktiven Erhitzung, wenn also die Wicklung wechselstromdurchflossen ist, die induktionserhitzung auf dem gesamten Wandungsumfang zur Wirkung kommen kann. -Die Wicklung selbst kann mittels durchgeleiteten Fluids gekühlt werden; nach Beenden der Erhitzung kann die Bohrungswandung mittels Luft-, Wasser- oder blstrahls schnell abgekühlt werden.According to FIG. 3, a winding 30 - in the extreme case only from a single one Winding - in the Bore 14 submerged; the winding is shown broken off and supported in a head 32 of a shaft 34 so that by rotating the winding during inductive heating, i.e. when the winding AC current flows through it, the induction heating on the entire wall circumference can come into effect. -The winding itself can by means of passed fluids be cooled; after the end of the heating process, the bore wall can be Water jets or water jets can be cooled down quickly.

Gemäß Fig. 4 wird aus einem Miniaturbrenner 40 ein Gas- oder Plasmastrahl 42 in die Bohrung 14 gerichtet; für die Abkühlung mit einer oberhalb der kritischen Abkühlgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit gilt das oben gesagte. Hierbei ist es zweckmäßig, die Umgebung der konischen Bohrung 14 durch eine Maske 44 aus Keramikmaterial vor Erwärmung zu schützen oder, wie in Fig. 5 angedeutet, die Brennerdüse 40 so tief in die Bohrung 14 abzusenken, daß die Bohrungswandung selbst die umgebenden Oberflächenbereiche gegen die abströmenden heißen Gase abschirmen.According to FIG. 4, a miniature burner 40 becomes a gas or plasma jet 42 directed into the bore 14; for cooling with one above the critical The above-mentioned applies to the cooling speed. Here is it is expedient, the surroundings of the conical bore 14 through a mask 44 made of ceramic material to protect against heating or, as indicated in Fig. 5, the burner nozzle 40 so Lower deep into the bore 14 that the bore wall itself the surrounding Shield surface areas from the hot gases flowing off.

Die Härtung mittels Laserstrahl, ggf. nach Schwärzen von blanken Bohrungswandungen, ist deshalb bevorzugt, weil sie am einfachsten reproduzierbare Ergebnisse erbringt. Es ist nämlich zu berücksichtigen, daß selbst eine nur lokale Erwärmung und Härtung zu einer Volumenveränderung gerade im Bereich der Bohrungswandungen wegen der bei der Martensithärtung erfolgenden Umkristallisation führt. Wenn man die Energiezufuhr konstant wählt, ergibt sich auch eine gleichbleibende Härtetiefe von zwischen 0,2 und 0,8 mm, in der Regel etwa bei 0,5 mm, was völlig ausreichend ist. In jedem Falle aber kann man die zu erwartende Volumenänderung antizipieren und beim Abbohren der Spannplatte oder der anderen Werkstücke berücksichtigen.Hardening by means of a laser beam, if necessary after blackening bare bore walls, is preferred because it is the easiest to produce reproducible results. It must be taken into account that even only local heating and hardening to a volume change especially in the area of the bore walls because of the Martensite hardening leads to recrystallization. When you get the energy supply Choosing constant results in a constant hardening depth of between 0.2 and 0.8 mm, usually around 0.5 mm, which is completely sufficient. In each Cases but one can anticipate the expected change in volume and when drilling the Take into account the clamping plate or the other workpieces.

Ggf. kann man auch die Oberflächen zwischen den Bohrungen in gleicher Weise härten, obwohl dies im allgemeinen nicht erforderlich sein wird, da ja die ringförmigen, gehärteten Zonen, die die Genauigkeit bestimmen, in den Bohrungen geschützt liegen.If necessary, you can also use the same surface between the holes Harden wise, although this will generally not be necessary since yes the ring-shaped, hardened zones, which determine the accuracy, in the bores lie protected.

LeerseiteBlank page

Claims (10)

Ansprüche 1. Verfahren zum Fertigen von Stahlteilen, die in einer ebenen Fläche mindestens zwei, im wesentlichen kegelige Positionierbohrungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß (a) eine Bezugsebene für die Tiefenmaße der Bohrungen gefertigt wird, (b) die Bohrungen mit Fertigmaß hinsichtlich ihrer Tiefe und ihres Abstands voneinander spanabhebend eingebracht werden und (c) die Stahlteile lokal im Bereich der Bohrungswandungen einer Martensithärtung, vorzugsweise ohne Abschrecken, unterworfen werden. Claims 1. A method for manufacturing steel parts in a flat surface have at least two, essentially conical positioning bores, characterized in that (a) a reference plane for the depth dimensions of the bores is manufactured, (b) the bores with finished dimensions with regard to their depth and their At a distance from each other are introduced by machining and (c) the steel parts locally Martensite hardening in the area of the bore walls, preferably without quenching, be subjected. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Härtung durch Erhitzen mittels Laserstrahls und nachfolgende Abkühlung mit einer zur Martensithärtung ausreichenden Abkühlgeschwindigkeit erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the local Hardening by heating with a laser beam and subsequent cooling with a sufficient cooling rate for martensite hardening takes place. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Härtung durch Erhitzen mittels Elektronenstrahl und nachfolgende Abkühlung mit einer zur Martensithärtung ausreichenden Abkühlgeschwindigkeit erfolgt.3. The method according to claim 1, characterized in that the local Hardening by heating with an electron beam and subsequent cooling with a sufficient cooling rate for martensite hardening takes place. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Härtung durch Erhitzen mittels Induktion und nachfolgende Abkühlung mit einer zur Martensithärtung ausreichenden Abkühlgeschwindigkeit erfolgt.4. The method according to claim 1, characterized in that the local Hardening by heating by means of induction and subsequent cooling with a for Martensite hardening takes place at a sufficient cooling rate. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Härtung durch Erhitzen mittels Gas-oder Plasmastrahl und nachfolgende Abkühlung mit einer zur Martensithärtung ausreichenden Abkühlgeschwindigkeit erfolgt.5. The method according to claim 1, characterized in that the local Hardening by heating with a gas or plasma jet and subsequent cooling takes place at a cooling rate sufficient for martensite hardening. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung allein durch Wärmeleitung in das Werkstück hinein erfolgt.6. The method according to any one of claims 2-5, characterized in that that the cooling takes place solely through thermal conduction into the workpiece. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer weiteren Folge von gleichartigen Arbeitsschritten gemäß Merkmal (c) die Stahlteile lokal im Bereich zwischen den Bohrungen einer Martensithärtung unterworfen werden.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that in a further sequence of similar work steps according to feature (c) the steel parts are subjected to martensite hardening locally in the area between the bores will. 8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als letzter Arbeitsgang eine Politur der bearbeiteten Flächen erfolgt.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that the last step is a polishing of the machined surfaces. 9. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine um die Längsachse der Bohrung (14) drehbare Induktionsspule (30). 9. Apparatus for performing the method according to claim 4, characterized by an induction coil (30) rotatable about the longitudinal axis of the bore (14). 10. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine mit der Bohrungsachse ausgefluchtete Gasdüse und durch eine die die Bohrung umgebende Oberfläche des betreffenden Bauteils abdeckende Maske. 10. Apparatus for performing the method according to claim 5, characterized through a gas nozzle that is aligned with the axis of the bore and through one of the bore Mask covering the surrounding surface of the component in question.