DE3306246A1

DE3306246A1 - Verfahren und vorrichtung zur feinschleifbearbeitung an einem werkstueck mit einer duennen bearbeitungswand

Info

Publication number: DE3306246A1
Application number: DE19833306246
Authority: DE
Inventors: Gerd Reiner 5600 Wuppertal Meuer; Martin Ing.(Grad.) Wolters
Original assignee: Ernst Thielenhaus GmbH and Co KG
Current assignee: Ernst Thielenhaus GmbH and Co KG
Priority date: 1983-02-23
Filing date: 1983-02-23
Publication date: 1984-08-23
Also published as: DE3306246C2; US4513538A

Description

Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen

Die.Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Verfahren zur Feinschleifbearbeitung einer Oberfläche an einem Werkstück mit einer dünnen Bearbeitungswand,

wobei das Werkstück mit der zu bearbeitenden Oberfläche freiliegend in eine Werkstückaufnahme eingesetzt, die Werkstückaufnahme mit dem Werkstück in Rotation versetzt und auf die zu bearbeitende Oberfläche ein rotierendes Feinschleifwerkzeug, vorzugsweise ein topfförmiges Feinschleifwerkzeug, aufgesetzt wird,

wobei ferner ein Kühlmittel zugeführt wird. Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf eine Vorrichtung für die Durchführung eines solchen Verfahrens mit rotierender Werkstückaufnahme, rotierendem Feinschleifwerkzeug und Einrichtung für eine Kühlmittelzuführung. - Feinschleifen steht im Rahmen der Erfindung auch für andere Feinbearbeitungsmaßnahmen, insbesondere für das sogenannte Diamantdrehen.

Bei den (aus der Praxis) bekannten gattungsgemäßen Maßnahmen ist das Kühlmittel ein Schleiföl oder eine Schleifemulsion. Es wird zumeist in feinem Strahl und mit verhältnismäßig geringem Druck im Bearbeitungsbereich auf das Werkzeug und/oder auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet. Das verhindert nicht, daß bei dünnen und sehr dünnen Bearbeitungswänden störende, unkontrollierbare Bearbeitungstoleranzen auftreten, die nach Erkenntnissen, die der Erfindung zugrundeliegen, auf unkontrolliertem Verzug der Werkstücke bei der Feinschleifbearbeitung beruhen. Das ist ein Phänomen, welches in den folgenden technologischen Zusammenhang gehört:

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Im Zuge der steigenden Forderungen auf Gewichtsminderung kommen im verstärkten Umfang Werkstücke mit dünnen Bearbeitungswänden zur Anwendung. Durch die gleichzeitige Einengung der zulässigen Toleranzen ergeben sich Schwierigkeiten bei der spanabhebenden Bearbeitung, zu der auch die Feinschleifbearbeitung gehört. Bekanntlich entstehen insbesondere beim Schleifen und Feinschleifen an den Berührungsflächen zwischen Werkstück und Werkzeug hohe Temperaturen, die trotz des wie beschrieben zugeführten Kühlmittels bis zu 800 ⁰C und darüber hinaus reichen können. Tatsächlich wird bei der Bearbeitung insbesondere von Planflächen durch das Werkzeug ein erheblicher Flächenanteil überdeckt, die Wärmeableitung wird entsprechend beeinträchtigt. Die Schwierigkeiten sind dann besonders groß, wenn es sich um Werkstücke aus Verbundwerkstoffen mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnungszahl und unterschiedlicher thermischer Leitfähigkeit handelt. Das gleiche gilt für Werkstücke, die infolge ihrer Gestaltung, beispielsweise durch QuerSchnittsVerengung, eine Behinderung des Wärmeabflusses aufweisen. Bei all diesen Werkstücken tritt schon in relativ kurzen Bearbeitungszeiten von 5 bis 10 Sekunden eine thermisch verursachte Verformung auf, die sich nach dem Erkalten wieder zurückbildet. Dadurch ist es häufig nicht möglich, die verlangten geometrischen Forderungen zu erfüllen, beispielsweise eine Ebenheit oder eine Sphärizität im Bereich von 1 bis 3 μπι einzuhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren so zu führen, daß der beschriebene, unkontrollierte Verzug und die darauf beruhenden Ungenauigkeiten nicht mehr auf-

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treten. Der Erfindung liegt fernerhin die Aufgabe zugrunde, für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders einfache und funktionssichere Vorrichtungen anzugeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung in verfahrensmäßiger Hinsicht zunächst, daß das Werkstück mit einer zumindest bereichsweise ebenfalls freiliegenden Gegenfläche in die Werkstückaufnahme eingesetzt wird,

welche Gegenfläche der zu bearbeitenden Oberfläche an der Bearbeitungswand gegenüberliegt,

und daß die freiliegende Gegenfläche von dem Kühlmittel beaufschlagt wird. - Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es bei der Feinschleifbearbeitung möglich ist, eine Verformung der Werkstücke durch starke konvektive Wärmeableitung an der Gegenfläche während der Bearbeitung nahezu zu beseitigen bzw. so zu reduzieren, daß sich die Verformung störend nicht mehr bemerkbar macht. Voraussetzung ist, daß über die dünne Bearbeitungswand ein entsprechender Wärmetransport hinreichend kurzfristig erfolgt. Untersuchungen haben gezeigt, daß, je nach Gesamtfläche bzw. Gesamtvolumen, die dünne Bearbeitungswand eine Dicke von einigen Millimetern bis zu 10 Millimetern und unter Umständen sogar mehr aufweisen kann. Die Temperatur des Kühl-"mitteTs wird über die gesamte Maschinenlaufzeit durch ein Kühlaggregat konstant gehalten. Der Mengenstrom wird so gewählt, daß die bei der Feinschleifbearbeitung entstehende Wärme mit Sicherheit abgeführt werden kann. Die Dosierung richtet sich folglich nach Art, Größe und Werkstoff der Werkstücke, überraschenderweise lassen sich durch die beschriebenen Maßnahmen der unkontrollierte

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Verzug und die darauf beruhenden Ungenauigkeiten praktisch vollständig eliminieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich so führen, daß der .Kühlmittelstrom die Positionierung des Werkstückes in der Werkstückaufnahme nicht stört, so daß große Aufspannkräfte nicht erforderlich sind und die Werkstücke, ζ. Β. zentriert durch einen Zentrierkragen, in der Werkstückaufnahme frei aufliegen können. Dazu lehrt die Erfindung, daß das Kühlmittel in Form eines Kühlmittelstrahles etwa senkrecht und in der Rotationsachse des Werk-r Stückes auf die Gegenfläche als Staufläche gelenkt und an der Gegenfläche radial umgelenkt wird. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in diesem Zusammenhang dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel mit Hilfe eines Diffusors senkrecht gegen die Gegenfläche als Staufläche gelenkt und das Werkstück durch die Umlenkung des Kühlmittels an der Gegenfläche von dem Kühlmittel angesaugt wird. Die Erfindung nutzt dabei bekannte hydrodynamische und aerodynamische Zusammenhänge, überraschender-r weise führen diese Effekte auch zu einer besonders intensiven ^; Wärmeabfuhr und Kühlung. Arbeitet man in der beschriebenen Art und Weise und handelt es sich um Werkstücke, die um die Rotationsachse des Bearbeitungsvorganges symmetrisch sind, so erreicht man bei der beschriebenen Kühlmittelführung gleichzeitig besonders definierte Verhältnisse und extrem kleinen Verzug, so daß auch extreme Toleranzen eingehalten werden können. Dabei kann sowohl mit einem flüssigen Kühlmittel gearbeitet werden, z. B. mit Schleiföl, mit einer Schleifemulsion oder mit Wasser. Es kann aber auch mit einem gasförmigen Kühlmittel gearbeitet werden, im einfachsten Falle mit Luft.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens, die den eingangs angegebenen grundsätzlichen Aufbau aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme einen zentralen Innenraum aufweist, der von der dünnen Bearbeitungswand des Werkstückes abdeckbar ist, daß die Einrichtung für die Kühlmittelzuführung einen in der Rotationsachse der Werkstückaufnahme verlaufenden Kühlmittelzuführungskanal aufweist, der in den Innenraum einmündet, und daß in den Innenraum eingeführtes Kühlmittel im Randbereich der Bearbeitungswand abführbar ist. Das kann im einzelnen auf verschiedene Weise verwirklicht werden. In der Ausführungsform für topfförmige oder halbkugelförmige hohle Werkstücke ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme als im wesentlichen zylinderförmiges, zum Werkzeug hin offenes Bauteil ausgeführt ist, dessen Zylinderraum den Innenraum bildet, in den das Werkstück einsetzbar ist, welches dabei mit seiner Bearbeitungswand den Innenraum zum Werkzeug hin abschließt, und daß der Kühlmittelkanal als Rohr ausgeführt ist sowie unter der Gegenfläche des eingesetzten Werkstückes mit 'freiem Kühlmittelaustritt mündet. Es empfiehlt sich, den Kühlmitte laus tr ittskanal im Bereich seiner Mündung mit einer diffusorartigen Erweiterung zu versehen, was zu der vorstehend beschriebenen, hydrodynamisch oder aerodynamisch bestimmten Stabilisierung der Positionierung beiträgt.

In der Ausführungsform für scheibenförmige Werkstücke lehrt die Erfindung, daß die Werkstückaufnahme als Scheibe ausgeführt ist, die von einem z. B. feststehenden Zentrierkragen umgeben, auf eine Antriebswelle aufgesetzt ist und auf ihrer der Gegenfläche zugewandten Seite mit radial verlaufenden Kühlmittelabführungs-

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rinnen versehen ist, wobei der Kühlmittelzuführungskanal im Zentrum der Antriebswelle angeordnet ist. In diesem Zusammenhang ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelzuführungskanal in die diffusorartige Erweiterung ausläuft und daß an die diffusorartige Erweiterung die Kühlmittelabführungsrinnen angeschlossen sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert,. Es zeigen in schematischer Darstellung '

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Vorrichtung für die Durch- ; führung der beschriebenen Feinschleifbearbeitung in der Ausführungsform für topfförmige oder halbkugelförmige hohle Werkstücke,

Fig. 2 entsprechend der Fig. 1 eine Vorrichtung für die Fein- ^! schleifbearbeitung von scheibenförmigen Werkstücken,

Fig. 3 in der Ansicht A das Werkstück auf dem Gegenstand nach Fig, 2 und

Fig. 4 in der Ansicht B die Werkstückaufnahme aus dem Gegenstand nach Fig, 2,

Die in den Figuren dargestellten Vorrichtungen besitzen eine rotierende Werkstückaufnahme 1 und ein rotierendes Feinschleifwerkzeug 2. Die Rotation ist durch Bogenpfeile angedeutet worden. Zur Vorrichtung gehört auch eine Einrichtung 3 für die Kühlmittelzuführung. Diese Einrichtung für die Kühlmittelzuführung kann

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zunächst, wie zeichnerisch nicht dargestellt wurde, ein Kühlmittel im Bearbeitungsbereich der zu bearbeitenden Oberfläche 4 oder auch dem Werkzeug 2 zuführen.

Die Werkstückaufnahme 1 besitzt einen zentralen Innenraum 5, der !von der Bearbeitungswand 6 des Werkstückes 7 abdeckbar und nach loben hin gleichsam verschließbar ist. In den Fig. 1 und 2 ist der abgedeckte Zustand gezeichnet. Die Einrichtung 3 für die Kühlmittelzuführung besitzt einen in der Rotationsachse der !Werkstückaufnahme 1 verlaufenden Kühlmittelzuführungskanal 8. Der Kühlmittelzuführungskanal 8 mündet in den Innenraum 5 ein und das in den Innenraum 5 eingeführte Kühlmittel 9 ist im Randbereich der Gegenfläche abführbar, wie eingezeichnete Bogenpfeile erkennen lassen.

!Die Fig. 1 zeigt eine solche Vorrichtung, die für topfförmige oder halbkugelförmige hohle Werkstücke 7 eingerichtet ist. Gezeichnet ist ein topfförmiges Werkstück 7. Die Werkstückaufmahme 1 ist als im wesentlichen zylinderförmiges, zum Werkzeug hin offenes Bauteil ausgeführt, dessen Zylinderraum den Innenraum 5 bildet. In den Zylinderraum ist das Werkstück 7 einsetzbar, es mag dabei randseitig eingespannt werden. Es schließt mit seiner Bearbeitungswand 6 den Innenraum 5 zum Werkzeug 2 hin ab. Der Kühlmittel'zuführungskanal 8 ist als Rohr ausgeführt und mündet unter der Gegenfläche 10 des Werkstückes 7 mit freiem Kühlmittelaustritt. Im Bereich seiner Mündung ist der Kühlmittelzuführungskanal 8 mit einer diffusorartigen Erweiterung 11 versehen.

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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 bis 4 handelt es sich um das Bearbeiten von scheibenförmigen Werkstücken 7. Die Werkstückaufnahme 1 ist als Scheibe ausgeführt _r die von einem im Ausführungsbeispiel feststehenden Zentrierkragen 12 umgeben und auf eine Antriebswelle 13 aufgesetzt ist. Sie ist auf ihrer der Gegenfläche 10 zugewandten Seite mit radial verlaufenden Kühlmittelabführungsrinnen 14 versehen, die insbesondere in der Fig. 4 erkennbar sind. Der Kühlmittelzuführungskanal 8 ist im Zentrum der Antriebswelle 13 angeordnet. Er läuft in eine diffusorartige Erweiterung 11 aus, an die die Kühlmittelabführungsrinnen 14 angeschlossen sind.

Bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen wird das Werkstück 7 mit seiner zumindest bereichsweise freiliegenden Gegenfläche 10 in die Werkstückaufnahme 1 eingesetzt und diese Gegenfläche 10 wird von dem Kühlmittel 9 beaufschlagt. Dabei ist die Anordnung in den Ausführungsbeispielen so getroffen, daß der Kühlmittelstrahl die Gegenfläche 10 wie eine Staufläche beaufschlagt und an der Gegenfläche 10 radial umgelenkt wird. Auf diese Weise kann das Werkstück 7 gleichsam saugend festgehalten werden.

- Leerseite -

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Bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 bis 4 handelt es sich um das Bearbeiten von scheibenförmigen Werkstücken 7. Die Werkstückaufnahme 1 ist als Scheibe ausgeführt_f die von einem im Ausführungsbeispiel feststehenden Zentrierkragen 12 umgeben und auf eine Antriebswelle 13 aufgesetzt ist. Sie ist auf ihrer der Gegenfläche 10 zugewandten Seite mit radial verlaufenden Kühlmittelabführungsrinnen 14 versehen, die insbesondere in der Fig. 4 erkennbar sind. Der Kühlmittelzuführungskanal 8 ist im Zentrum der Antriebswelle 13 angeordnet. Er läuft in eine diffusorartige Erweiterung 11 aus, an die die Kühlmittelabführungsrinnen 14 angeschlossen sind.

Claims

Andrejewski, Honke & Partner Patentanwälte

Diplom-Physiker

Dr. Walter Andrejewski

Diplom-Ingenieur

Dr.-Ing. Manfred Honice

Diplom-Physiker

Dr. Karl Gerhard Masch

Anwaltsakte: 4300 EsMn 1, TiMaterpkitz 3, Posrf. 100254

■59 923/kb- 22. Februar 1983

ίPatent- und Hilfsgebrauchsmusteranmeldung

Maschinenfabrik Ernst Thielenhaus GmbH Schwesterstraße 50
5600 Wuppertal 2

Verfahren und Vorrichtung zur Feinschleifbearbeitung an einem Werkstück mit einer dünnen Bearbeitungswand

Patentansprüche:

Verfahren zur Feinschleifbearbeitung einer Oberfläche an einem Werkstück mit einer dünnen Bearbeitungswand,

wobei das Werkstück mit der zu bearbeitenden Oberfläche freiliegend in eine Werkstückaufnahme eingesetzt, die Werkstückaufnahme mit dem Werkstück in Rotation versetzt und auf die zu bearbeitende Oberfläche ein rotierendes FeinschleifWerkzeug aufgesetzt wird,

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wobei ferner ein Kühlmittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mit einer zumindest bereichsweise ebenfalls freiliegenden Gegenfläche in die Werkstückaufnahme eingesetzt wird,

welche Gegenfläche der zu bearbeitenden Oberfläche an der Bearbeitungswand gegenüberliegt,

und daß die freiliegende Gegenfläche von dem Kühlmittel beaufschlagt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel in Form eines Kühlmittelstrahles etwa senkrecht und in der Rotationsachse des Werkstückes auf die Gegenfläche als Staufläche gelenkt und an der Gegenfläche in radiale Richtung umgelenkt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel mit Hilfe eines Diffusors senkrecht gegen die Gegenfläche als Staufläche gelenkt und das Werkstück durch die Umlenkung des Kühlmittels an der Gegenfläche von dem Kühlmittel angesaugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem flüssigen Kühlmittel gearbeitet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem gasförmigen Kühlmittel gearbeitet wird.

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6. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, - mit

rotierender Werkstückaufnahme, : rotierendem Feinschleifwerkzeug

und Einrichtung für eine Kühlmittelzuführung, dadurch ig e k e η η ζ e i c h η e t_f daß die Werkstückaufnahme einen zentralen Innenraum aufweist, der von der dünnen Bearbeitungswand des Werkstückes abdeckbar ist, daß die Einrichtung für die Kühlmittelzuführung einen in der Rotationsachse der Werkstückaufnahme verlaufenden Kühlmittelzuführungskanal aufweist, der in den ,Innenraum einmündet, und daß in den Innenraum eingeführtes Kühlmittel im Randbereich der Bearbeitungswand abführbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 in der Ausführungsform für topf-■förmige oder halbkugelförmige hohle Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme als im wesentlichen zylin- ;derförmiges, zum Werkzeug hin offenes Bauteil ausgeführt ist,

• . dessen Zylinderraum den Innenraum bildet, in den das Werkstück einsetzbar ist, welches dabei den Innenraum mit seiner Bearbeitungswand zum Werkzeug hin abschließt f

und daß der Kühlmittelkanal als Rohr ausgeführt ist sowie unter der Gegenfläche des eingesetzten Werkstückes mit freiem Kühlmittelaustritt mündet.

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8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelaustrittskanal im Bereich seiner Mündung eine diffusorartige Erweiterung aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 in der Ausführungsform für scheibenförmige Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme als Scheibe ausgeführt ist, die, von einem Zentrierkragen umgeben, auf eine Antriebswelle aufgesetzt ist

und auf ihrer der Gegenfläche zugewandten Seite mit
radial verlaufenden Kühlmittelabführungsrinnen versehen
ist,

und daß der Kühlmittelzuführungskanal im Zentrum der Antriebs- '. welle angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelzuführungskanal in die diffusorartige Erweiterung ausläuft und daß an die diffusorartige Erweiterung die Kühlmittelabführungsrinnen angeschlossen sind.