DE3643921A1 - Verfahren zum feinbearbeiten von rotationssymmetrischen aussenflaechen an werkstuecken - Google Patents
Verfahren zum feinbearbeiten von rotationssymmetrischen aussenflaechen an werkstueckenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Feinbearbeiten von
rotationssymmetrischen Außenflächen an Werkstücken nach der Gattung
des Hauptanspruchs.
Bei den bekannten Verfahren dieser Gattung wer
den eine hohe Oberflächengüte und sehr enge Toleranzen am Werkstück
dadurch erzielt, daß die Bearbeitung auf äußerst steif ausgeführten
Feindrehmaschinen mit hohen Drehzahlen und kleinen Vorschüben er
folgt, wobei auf eine sehr genaue statische und dynamische Aus
wuchtung der rotierenden Teile geachtet wird. Trotz des damit ver
bundenen erhöhten Fertigungsaufwandes ist nicht mit Sicherheit aus
zuschließen, daß sich durch Verunreinigungen an bzw. in der Ma
schinenaufnahme für das Werkzeug und/oder das Werkstück eine Fehl
einstellung der Werkzeugschneide ergibt, welche zu unzulässigen
Toleranzabweichungen des fertig bearbeiteten Werkstücks führt und
nur durch eine meßgesteuerte Werkzeugführung vermieden werden kann.
Ferner sind Werkzeuge zum Feinbearbeiten von Präzisionsbohrungen be
kannt, die mit einer geometrisch definierten Schneide und mit
Mitteln zum Führen der Schneide in der Bohrung versehen sind. Diese
Werkzeuge können als Austauschwerkzeuge ausgebildet sein, die außer
halb der Werkzeugmaschine in einem Einstellgerät mit Meßuhren auf
Fertigmaß eingestellt und in einer vorgegebenen Arbeitsgang-Reihen
folge entweder von Hand oder mittels Greifereinrichtungen in eine
Maschinenspindel der Werkzeugmaschine eingewechselt werden. Zwischen
der Maschinenspindel und dem Werkzeug ist ein Präzisions-Paßsitz
vorhanden, welcher bei fliegend arbeitenden Werkzeugen vorzugsweise
als Konus ausgebildet ist. Damit für den Feinarbeitsgang eine mög
lichst kleine Bearbeitungszugabe vorgesehen werden kann, müssen
Werkstück und Maschinenspindel präzise aufeinander ausgerichtet
sein. Außerdem muß die Achse des Werkzeugs mit der Achse der Ma
schinenspindel möglichst genau fluchten. Bei dieser Anordnung können
Verschmutzungen des Paßsitzes in der Maschinenspindel zu einem
Radialschlag des Werkzeugs führen, der zu einem erhöhten Verschleiß
des Werkzeugs sowie Quälitätseinbußen hinsichtlich Maßgenauigkeit
und Oberflächenqualität der bearbeiteten Zylinderfläche des Werk
stücks führt. Um diesen Mangel zu beheben, wurde bereits vorge
schlagen, den in den Konus der Maschinenspindel einzusetzenden
Schaft des Werkzeugs so biegeelastisch auszuführen, daß der die
Werkzeugschneide und die Führungsmittel tragende Schneidkopf des
Werkzeugs unter dem Einfluß der bei der Bearbeitung auf ihn ein
wirkenden Richtkräfte selbsttätig in die Achse der Bohrung einzu
schwenken vermag.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Anspruch 1 hat gegenüber
den bekannten Verfahren zur Feinbearbeitung von rotationssymme
trischen Außenflächen an Werkstücken den Vorteil, daß Zentrierfehler
der Werkzeugschneide nach einem Werkzeugwechsel ohne einen äußeren
Eingriff, d.h. ohne Nachjustierung, selbsttätig ausgeglichen werden.
Dadurch ist es möglich, Außenflächen mit gleichbleibender Qualität
und Maßgenauigkeit mit voreingestellten Austauschwerkzeugen durch
Feindrehen zu bearbeiten, wobei der Austausch der Werkzeuge manuell
oder automatisch erfolgen kann. Nach einem Werkzeugwechsel fallen
keine Ausschußteile an. Aufwendige Meßvorgänge, Prüfstationen,
Schneidenregeleinrichtungen und Regelzeiten entfallen. Der Ma
schinennutzungsgrad wird angehoben.
Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen eines Werk
zeugs zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Anspruch 1 ge
richtet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl mit einem
stehenden Werkzeug und sich drehenden Werkstück als auch mit einem
sich drehendem Werkzeug und bei stehendem Werkstück ausgeführt wer
den. Ferner lassen sich bei diesem Verfahren auch Werkzeuge ein
setzen, die mehrere axial hintereinander angeordnete, auf verschie
dene Bearbeitungsdurchmesser eingestellte Schneiden zur Stufenbear
beitung eines Werkstückes haben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 ein Feindrehwerkzeug zur Bearbeitung von zylin
drischen Außenflächen an Werkstücken in Seitenansicht und teilweise
im Schnitt, Fig. 2 die bearbeitungsseitige Stirnansicht des Fein
drehwerkzeugs nach Fig. 1 und Fig. 3 eine Variante zur Ausführung
nach Fig. 1.
Das Feindrehwerkzeug ist so ausgebildet, daß es in den Innenkonus
einer gleichachsig zum zylindrischen Werkstück angeordneten Ma
schinenspindel einer Werkzeugmaschine einsetzbar ist. Zu diesem
Zweck hat das Feindrehwerkzeug einen Werkzeughalter 10, der mit
einem passend ausgebildeten Konus 12, sowie mit einer Greifnut 14
für einen Wechselgreifer versehen ist. Mit dessen Hilfe kann das
dargestellte oder ein anderes gewünschtes Feindrehwerkzeug aus einem
Magazin entnommen und lose in den Konus der Maschinenspindel einge
setzt werden. Danach wird der Konus 12 mit einer an einem Gewinde
stutzen 16 angreifenden Zange im Konus der Maschinenspindel festge
zogen, wobei die Teile reibungsschlüssig miteinander verspannt wer
den.
Der Werkzeughalter 10 ist am bearbeitungsseitigen Stirnende mit
einem Flansch 18 versehen, an dem ein als Ganzes mit der Bezugszahl
20 bezeichneter Werkzeugträger durch Schrauben 22 befestigt ist. Der
Werkzeugträger 20 ist seinerseits mit einem Flansch 24 versehen,
durch den die Schrauben 22 mit Spiel hindurchtreten und der einen
zentrischen Bund 26 hat, der in eine entsprechend ausgebildete Aus
nehmung 28 im Flansch 18 des Werkzeughalters 10 eingreift. Der Bund
26 kann durch drei Gewindestifte 30 in der Ausnehmung 28 zentriert
werden, bevor die Schrauben 22 festgezogen werden. Die Gewindestifte
30 durchgreifen je eine Gewindebohrung, die im Flansch 18 des Werk
zeughalters 10 in der Höhe der Ausnehmung 28 angeordnet sind.
Der Flansch 24 des Werkzeugträgers 20 ist über einen schlanken
Schaft 32 einstückig mit einem Schneidkopf 34 verbunden, welcher
eine zentrale Sackbohrung 36 hat, deren Durchmesser etwas größer als
der Durchmesser des unbearbeiteten bzw. vorbearbeiteten Werkstückes
ist. Der Schneidkopf 34 trägt eine vorzugsweise aus Hartmetall be
stehende Schneidleiste 40, die am vorderen Stirnende mit einer
Hauptschneide 42 und an ihrer dem Werkstückumfang zugekehrten, über
die Bohrungswand vorstehenden Längsseite mit einer Nebenschneide 44
versehen ist. Die Hauptschneide 42 steht einige Zehntel Millimeter
über die Stirnwand 46 des Schneidkopfes 34 vor und schließt mit der
Längsachse des Werkzeuges einen Winkel a ein, der vom Material des
Werkstücks abhängig ist. Die Schneidleiste 40 ist durch nicht darge
stellte Spannmittel und eine Spannpratze 48 einstellbar am Schneid
kopf 34 befestigt.
Im Schneidkopf 34 sind ferner drei über die Wand der Sackbohrung 36
nach innen vorstehende Führungsleisten 50 befestigt, von denen eine
der Schneidleiste 40 in einem dem Fertigmaß des Werkstückdurch
messers entsprechenden Abstand diametral gegenüberliegt. Die
Führungsleisten 50 beginnen vorn in der Ebene der Stirnseite 46 des
Schneidkopfes 34 und erstrecken sich etwa gleich weit wie die
Schneidleiste 40 in den Schneidkopf 34 hinein. Dieser ist im Bereich
der Schneidleiste 40 mit einer Ausnehmung 52 versehen, welche über
einen Kanal 54 mit einer in die Sackbohrung 36 führenden Längs
bohrung 56 für die Zufuhr eines flüssigen Kühlmittels verbunden ist.
Das herzustellende Fertigmaß des Werkstück-Außendurchmessers wird
zwischen der Schneidleiste 40 und der ihr gegenüberliegenden
Führungsleiste 50 eingestellt. Die Einstellung erfolgt außerhalb der
Werkzeugmaschine und kann beispielsweise mit Hilfe einer Streich
lehre mit Meßuhr überwacht werden. Die Streichlehre kann mit einem
Urstück auf Fertigmaß eingestellt und laufend kontrolliert werden,
so daß auch an allen folgenden Austauschwerkzeugen eine exakte Ein
stellung der Schneidleiste 40 gewährleistet ist.
Durch die exakte Einstellung der Schneidleiste 40 auf das gewünschte
Fertigmaß ist noch nicht sichergestellt, daß nach dem Einsetzen des
Feindrehwerkzeuges in die Maschinenspindel die Achsen der Maschinen
spindel, des Flugkreises der Schneidleiste 40 bzw. die Rotations
achse des Werkstücks und die Achse der zu bearbeitenden zylin
drischen Außenfläche am Werkstück miteinander fluchten. Durch Verun
reinigungen des Paßsitzes in der Maschinenspindel, durch Geometrie
fehler und dergleichen können beispielsweise zwischen dem einge
setzten bzw. eingewechselten Feindrehwerkzeug und der Maschinen
spindel Fluchtungsfehler auftreten, die einen Radialschlag des
Schneidkopfes 34 verursachen. Bei völlig starrer Ausführung des
Feindrehwerkzeugs, wie sie üblicherweise bei der Feinbearbeitung für
die Lagerung der Schneide angestrebt wird, würde jedoch ein Radial
schlag zu unzulässigen Fertigmaßabweichungen und, wenn gleichzeitig
Führungsmittel, wie die Führungsleisten 50, vorgesehen werden, zu
einer erheblichen Verminderung der Oberflächengüte der bearbeiteten
Außenfläche des Werkstücks führen.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist beim erfindungsgemäßen Fein
drehwerkzeug der Schaft 32 des Werkzeugträgers 20 durch entsprechen
de Bemessung seines Durchmessers und durch entsprechende Werkstoff
wahl so biegeelastisch ausgeführt, daß seine bei einer radialen Aus
lenkung des Schneidkopfes 34 auftretende Rückstellkraft kleiner ist
als die vom Werkstück auf den Schneidkopf 34 bzw. den Schaft 32 bei
Auftreten von Fluchtungsfehlern ausgeübte Richtkraft. Die Länge des
vorteilhaft aus gehärtetem Stahl bestehenden Schaftes 32 kann vor
zugsweise etwa 1,7 bis 2,6mal größer als sein Durchmesser sein. Bei
der Variante nach Fig. 3 ist der Schaft 32 a gegenüber dem Schneid
kopf 34 im Durchmesser nur unwesentlich geschwächt, jedoch mit
mehreren, sägeschlitzartigen Ausnehmungen 50 versehen, welche die
Biegeelastizität des Schaftes 32 a im gewünschten Sinne erhöhen.
Durch entsprechende Bemessung (Tiefe, Breite) und Verteilung der
Ausnehmungen 50 über den Umfang und die Länge des Schaftes 32 a kann
für den speziellen Anwendungsfall die Biegeelastizität optimiert und
auch in verschiedenen radialen Richtungen des Schaftes 32 a unter
schiedlich groß gemacht werden, was in manchen Fällen erwünscht sein
kann. Ferner kann der Schaft 32 a torsionssteifer als der Schaft 32
nach Fig. 1 ausgeführt werden und durch seine größere Masse wird
eine höhere Schwingungsdämpfung erzielt.
Bei der Feinbearbeitung des Werkstücks dreht die axial vorstehende
Schneidleiste 40 den Stirnrand des Werkstücks zunächst etwas an, wo
nach die Führungsleisten 50 über die Andrehung gelangen und im Zu
sammenwirken mit der Biegeelastizität des Schaftes 32 bzw. 32 a ihre
Führungsaufgabe übernehmen, d.h. das vorgeschriebene Fertigmaß des
Werkstückes auch bei einem Fluchtungsfehler der Teile zu erzwingen
und außerdem die Schneidleiste 40 selbst von einer Führungsfunktion
zu entlasten. Dadurch können die Schneiden 42 und 44 an der Schneid
leiste 40 für eine optimale Zerspanung und Glättung der Werkzeug
oberfläche gestaltet werden. Bei praktischen Versuchen hat sich er
geben, daß ein erfindungsgemäß ausgebildetes Werkzeug zur Bear
beitung einer Welle von 17 mm Durchmesser Radialschläge der Schnei
den 42, 44 bis zu 0,04 mm auszugleichen vermag, ohne daß sich die
Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstücks vermindert und sein
Fertigmaß um mehr als 0,001 mm vom Sollwert abweicht. Der Schaft 32
bzw. 32 a schwingt mit dem Schneidkopf 34 nach der Bearbeitung in die
ursprüngliche Ausgangslage zurück. Beim Feindrehen von Wellen aus
Stahl St 60 wurden Rauhtiefen bis zu R Z 1,87 µm erreicht.
Claims (8)
1. Verfahren zum Feinbearbeiten von rotationssymmetrischen Außen
flächen an Werkstücken, wie Wellen, Zapfen und dergleichen, mit
einem Drehwerkzeug, das eine geometrisch definierte Schneide hat,
dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugschneide (42, 44) an der
rotationssymmetrischen Außenfläche des Werkstücks durch Mittel (50)
geführt wird, welche sich am Werkstück abstützen und die auf die
Werkzeugschneide (42, 44) ausgeübten radialen Schnittkräfte auf
nehmen, und daß es ferner einem die Werkzeugschneide (42, 44) und
deren Führungsmittel (50) tragenden Schneidkopf (34) durch einen
biegeelastischen Werkzeugträger (20) ermöglicht wird, sich unter dem
Einfluß der Schnitt- und Stützkräfte parallel bzw. gleichachsig zu
der zu bearbeitenden Außenfläche des Werkstücks auszurichten.
2. Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Werkzeugschneide (42, 44) an einer sich ent
lang der zu bearbeitenden Außenfläche des Werkstücks erstreckenden
Schneidleiste (40) gebildet ist, und daß die Mittel (50) zum Führen
der Schneide (42, 44) mindestens annähernd so lang sind wie die
Schneidleiste (40).
3. Werkzeug nach Anspruch 2, zum Feindrehen von zylindrischen Außen
flächen an Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneid
leiste (40) an der vorderen Stirnseite eine Hauptschneide (42) und
an ihrer dem Werkstückumfang zugekehrten Längsseite eine Neben
schneide (44) hat.
4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Führen
der Schneidleiste (40) gegenüber der Außenzylinderfläche des Werk
stückes mindestens zwei sich parallel zur Außenzylinderfläche er
streckende Führungsleisten (50) vorgesehen sind, von denen eine der
Schneidleiste (40) in einem dem Durchmesser der fertigbearbeiteten
Außenzylinderfläche entsprechenden Abstand diametral gegenüberliegt.
5. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt
schneide (42) der Schneidleiste (40) sowohl axial über die vorderen
Stirnseiten der Führungsleisten (50) als auch radial über die durch
die Führungsleisten (50) umrissene zylindrische Führungsfläche her
vorsteht.
6. Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder
nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schneidkopf (34) mit einer gleichachsig zu der zu bearbeitenden
Außenfläche angeordneten Maschinenaufnahme über einen biege
elastischen Werkzeugschaft (32, 32 a) verbindbar ist, dessen Rück
stellkraft kleiner ist als die vom Werkstück auf den Schneidkopf
(34) ausgeübte Richtkraft bei nicht fluchtenden Achsen von Außen
fläche des Werkstücks und Werkzeugschaft (32, 32 a) bzw. Maschinen
aufnahme.
7. Werkstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein im
Durchmesser geschwächter schaftartiger Abschnitt (32) des Werkzeug
trägers (20) aus gehärtetem Stahl besteht und einen durchgehend
gleichen Kreisquerschnitt hat, dessen Durchmesser um den Faktor 0,4
bis 0,6 kleiner ist als die Länge des geschwächten Abschnittes (32).
8. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werk
zeugschaft (32) mit mindestens einer die Biegeelastizität erhöhen
den, sich nur über einen Teil seines Umfangs erstreckenden schlitz
artigen Ausnehmung (50) versehen ist.
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