DE4400791A1

DE4400791A1 - Vorrichtung für die Bearbeitung von Werkstückoberflächen

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Publication number: DE4400791A1
Application number: DE19944400791
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Dr Koch Investment und Beteiligung Holding Sa
Priority date: 1994-01-13
Filing date: 1994-01-13
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2014-01-14
Also published as: DE4400791C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Feinstbearbeitung von rotationssymmetrischen und symmetrischen Werkstücken, insbesondere der Lagerzapfen von Kurbel-, Nocken- und Getriebewellen sowie der Oberfläche von Nocken.

Dabei werden ferromagnetische Schleifbänder (SF) mittels magnetischer Zugkräfte (F) in magnetischen Schleifbandträgern (2) in werkstückgerechter Form fixiert und gegen die zu bearbeitende Werkstückoberfläche ange drückt, wobei sich die Werkstücke drehen und in Richtung ihrer Drehachse oszillieren.

Bei Bedarf kann der magnetische Schleifbandträger (2) zusätzlich in Rich tung der Drehachse des Werkstückes oszillieren.

Durch die sich dadurch ergebende Überlagerung der beiden Oszillations bewegungen ergibt sich ein größerer, bzw. besserer Materialabtrag und bei schmalem Schleifband (Breite ca. 1/10 Länge der Werkstückoberfläche) ergibt sich die Möglichkeit, das ferromagnetische Schleifband (SF) in gesteuerten Zeitablauf bei konstantem Anpreßdruck und Werkstückdrehzahl über die Werkstückoberfläche zu führen. Damit kann verschieden großer Werkstoffabtrag erreicht werden, wodurch jede gewünschte Querform (ballig, hohl oder logarithmisch) hergestellt werden.

Der magnetische Schleifbandträger (2) ist beweglich im Maschinengestell (1) gelagert, so daß die Bewegung bei der Bearbeitung eines Hubzapfens oder Nockens nachgeführt werden kann.

Bei bisher bekannten Vorrichtungen zur Feinstbearbeitung von wellenförmi gen Werkstückoberflächen wird bisher ein "nicht kompressibles" Schleifband in mehr oder weniger "harten" Schalen (Schleifbandträger) verwendet. Dabei soll das "nicht kompressible" Schleifband die Form der Oberfläche des Schleifbandträgers (Schalen) an die zu bearbeitende Werkstückober fläche übertragen.

So eine Methode wurde z. B. von der Fa. Industrial Metal u. Products Cooperation/Michigan/USA unter US-Patentnummer 4682 444 und euro päischer Patentanmeldung Nr. 8630 7730.1 (EP-A-0 219 301) beschrieben.

Bei dieser vorgenannten Methode ergab sich jedoch in der Praxis der Bearbeitung, daß beim Andruck dieser "festen" Schalen (Schleifbandträger), das "nicht kompressible" Schleifband auf den Erhöhungen der wellenförmigen Unebenheiten (s. Fig. 5) zu liegen kamen.

Bei Werkstückdrehungen wurde das Schleifband wegen der Reibungs- und Schnittkräfte gestrafft und lag somit nicht mehr an der formgebenden "harten" Schalen an.

Die wellenförmigen Unebenheiten des Werkstückes konnten somit nicht formgetreu der "festen" Schalen bearbeitet werden. Damit war die Bear beitungsaufgabe nicht vollständig erfüllt.

Trotz dieses Nachteiles wird diese Methode wegen ihrer Vorteile, die sich aus der Anwendung von Schleifband ergeben, angewandt:

1. Einfache Handhabung des Schleifbandes bei dessen Magazinierung von ca. 100 Metern erlaubt lange störfreie, automatische Maschinenlauf zeiten.
2. Schleifbänder können leicht umgerüstet werden.
3. Schleifbänder haben an jeder Stelle die gleiche Schnittfähigkeit (zum Vergleich - Schleifsteine können sich zusetzen - können an verschiedenen Stellen in der Zusammensetzung variieren, woraus unter schiedliche Schnittkräfte und in diesem Zusammenhang unterschiedlicher Materialabtrag bzw. Bruch des Schleifsteines resultiert.)

Sehr gute Ergebnisse ergaben sich bisher durch die Anwendung der Methode der Feinstbearbeitung mit keramisch gebundenen Schleifkörpern (Steinen). Siehe dazu Fig. 6.

Bei diesem Verfahren paßt sich der Schleifstein und die Werkstückoberfläche fortlaufend beim Bearbeitungsprozeß gegenseitig an, wodurch bekannter weise bisher beste Ergebnisse hinsichtlich Rundheit/Form erzielt werden konnten.

Der Anwender keramisch gebundener Steine muß aber viele Nachteile in Kauf nehmen, die sich aus der physikalischen Natur des keramischen Werk stoffes ergeben, wie z. B. der geringeren Duktilität des keramischen Schleifkörpers und der sich daraus ergebenden aufwendigen Handhabung. Weiterhin ergeben sich Probleme aus der ungleichmäßigen Zusammensetzung und Dichte der keramischen Schleifsteine, die wie oben beschrieben, zu ungleichmäßigen Materialabtrag und daraus sich ergebender schlechter Oberflächenqualität bzw. Steinbruch führte.

Auf Grund der beschriebenen Ergebnisse haben die bisher angewendeten Vorrichtungen mit "fester" Schleifschale und nicht "komprimierbarem" Schleifband und Vorrichtungen mit keramisch gebundenen Schleifsteinen Nachteile, aus denen sich Handlungsbedarf zu deren Beseitigung ergibt.

Die Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung so zu gestalten, daß bei optimaler Formübertragung vom Werkzeug auf das Werkstück bei guter Abtragsleistung, hoher Oberflächenqualität (Rauh heit) und Querform das Werkzeug einfach zu handhaben und magazinieren ist, bzw. automatisch gewechselt werden kann.

Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe mit der Gestaltung einer Vorrichtung gemäß des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 unter Anwendung mag netischer Zugkräfte (F) gelöst.

Bekannterweise kann man unter Anwendung der magnetischen Induktion (B) große magnetische Zugkräfte (F) auf kleinen Flächen/Querschnitten (A) erreichen, wie z. B. in Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau, Band II, Seite 863, Auflage 1961, dargestellt.

Beispiel

Ein Elektromagnet mit der tragenden Polfläche A = 1 cm² (10^-4 m²) und B = 16 000 G (1,6 Tesla) kann wie beschrieben Eisen mit ca. einer Zug kraft F = 100 N anziehen.

Diese magnetischen Zugkräfte (F) sind die Grundlage der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

wobei bedeutet:
F - Magnetische Zugkraft (N)
B - Magnetische Induktion (Vs/m²)
µ_o - Magnetische Feldkonstante
A - Querschnitt/Polfläche (m²)

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, wird bei der erfindungsgemäßen Vorrich tung zwischen Werkstück und magnetischem Schleifbandträger ein ferro magnetisches Schleifband (SF) durch die Zustellkraft (P) positioniert, wonach durch die eingeschalteten magnetischen Zugkräfte (F) das ferro magnetische Schleifband formgetreu an der Oberfläche des magnetischen Schleifbandträgers (2) fixiert wird.

Beim Bearbeitungsvorgang wird bei Drehung/Oszillation des Werkstückes (8) das ferromagnetische Schleifband (SF) nur die vorstehenden welligen Nocken aus der Oberfläche des Werkstückes abtragen, so wie bei der Vor richtung mit keramischem Schleifstein (s. Fig. 6) , verläßt der Schleif kornträger (ferromagnetisches Schleifband) nicht seine formgebende Lage (magnetische Fixierung in dem magnetischen Schleifbandträger) womit höchste Genauigkeit bei der Formübertragung bzw. -herstellung gewährleistet ist.

Nach Beendigung des Bearbeitungsvorganges werden die Magnetkräfte im Schleifbandträger umgeschaltet/umgepolt und dadurch das ferromagnetische Schleifband zum Transport freigegeben. Durch die Umschaltung der Magnet kräfte werden gleichzeitig abgetragene ferromagnetische Partikel wegge schleudert.

Die weiteren Vorteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen in der guten Handhabung und Magazinierung und dem sich daraus ergebenden automatisierten Werkzeugwechsel (ferromagnetisches Schleifband = Werkzeug).

Weiterhin ergibt sich aus der physikalischen Natur des Schleifbandes, daß dort an jeder Stelle bei gleicher Zusammensetzung eine gleiche Schnitt kraft gewährleistet ist. Bei jedem Bearbeitungsvorgang kommt ein neuer Abschnitt des ferromagnetischen Schleifbandes (SF) in Einsatz und so ergeben sich gleiche Abtragsleistungen, Formverbesserungen, Oberflächen qualität (Rauhigkeit) und Querform.

Ausgehend von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feinstbearbeitung von Werkstückoberflächen ergeben sich gegenüber den bisher üblichen Vorrichtungen folgende Vorteile:

1. Formgetreue Feinstbearbeitung bei sehr guter Abtragsleistung und bester Oberflächenqualität (Rauhigkeit) durch Anwendung von ferro magnetischen Schleifbändern (SF), die mittels magnetischer Schleif bandträger (2) formgerecht fixiert werden.
2. Einfache Handhabung, Magazinierung des Werkzeuges durch Anwendung von ferromagnetischem Schleifband (SF).
3. Hohe Abtragsleistung durch erfindungsgemäße Anwendung von ferro magnetischem Schleifband (SF), welches, reproduzierbar, an jeder Stelle gleich scharf ist.
4. Durch Überlagerung von Oszillation des Werkstückes mit der Oszillation des magnetischen Schleifbandträgers, gemeinsam mit dem ferromagneti schem Schleifband (SF) kann bei entsprechender Steuerung der Bewe gungen an verschiedenen Stellen der Werkstückoberfläche verschieden großer Materialabtrag erfolgen. Dadurch kann die Querform/Profil der Werkstückoberfläche beliebig gestaltet werden (ballig, hohl oder logarithmisch).

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.

Fig. 1:
Ein Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Vorder- und Seitenansicht:

1 - Maschinengestell
2 - Magnetischer Schleifbandträger
3 - Magnetische Schleifbandzuführung
4/5 - Umlenkrollen
6 - Rechte Führung/Schleifbandträger
7 - Linke Führung/Schleifbandträger
8 - Werkstück
P - Andruckkraft
F - Magnetische Zugkräfte
MS - Magnetspulen

Ablauf - Bearbeitung

Das Werkstück (8), z. B. der Zapfen einer Kurbelwelle, wird von unten zwischen Spitzen und Mitnehmer in der Vorrichtung eingelegt und damit zwischen den abgelegten magnetischen Schleifbandträgern (2) positioniert.

Durch gesteuerte Maschinenbewegung werden die Führungen (6 und 7) mit den darauf befindlichen magnetischen Schleifbandträgern (2) an das Werkstück (8) angelegt und damit das ferromagnetische Schleifband (SF) gegenüber der Werkstückoberfläche positioniert.

Durch Umpolung der Magnetspulen (MS), die sich im magnetischen Schleif bandträger (2) befinden, wird das ferromagnetische Schleifband (SF) durch magnetische Zugkräfte (F) an der formgebenden Wandung der magne tischen Schleifbandträger (2) fixiert. Die gleichen magnetischen Zug kräfte (F) ziehen damit auch Werkstück und magnetischen Schleifband halter (2) zueinander. Dabei wirkt das auf dem ferromagnetischen Schleif band (SF) befindliche Schleifschicht wie ein Luftspalt.

Das Werkstück (8) beginnt sich zu drehen (links/rechts) und in Richtung seiner Drehachse zu oszillieren. Nach Beendigung der Bearbeitungsaufgabe werden die Magnetspulen (MS) umgepolt und somit das ferromagnetische Schleifband und ferromagnetischer Werkstoffabtrag vom magnetischen Schleifbandträger (2) abgestoßen.

Gleichzeitig wird über Maschinensteuerung die rechte und linke Führung (6/8) die Schleifbandträger (2) vom Werkstück (8) abgelegt. Das Werkstück (8) wird nach unten weggeführt.

Fig. 2:
Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Bearbeitung von Nocken:

1 - Maschinengestell
2 - Magnetischer Schleifbandträger
3 - Magnetische Schleifbandzuführung
4 bis 7 - Umlenkrollen
8 - Rechte Führung/Schleifbandträger
9 - Linke Führung/Schleifbandträger
10 - Werkstück/Nocke
11 - Nachfolgesteuerung/Anlage
12 - Kalibrierteil/Positionierung des ferromagnetischen Schleif bandes (SF)
SF - Ferromagnetisches Schleifband
M - Magazin

Ablauf - Bearbeitung

Das Kalibrierteil (12) wird von unten zwischen Spitzen und Mitnehmer in die Vorrichtung eingelegt und damit zwischen den abgelegten magneti schen Schleifbandträgern (2) positioniert.

Durch gesteuerte Maschinenbewegung der Führungen der Schleifbandträger (8/9) werden die magnetischen Schleifbandträger mit magnetischem Schleif band (SF) gegen das Kalibrierteil (12) gelegt. Nach Umpolen bzw. Ein schalten der Magnetspulen (MS) wird das ferromagnetische Schleifband (SF) durch magnetische Zugkräfte auf dem magnetischen Schleifbandträger fi xiert. Durch Maschinensteuerung werden danach die Schleifbandträger (2) bei eingeschalteten Magnetspulen vom Kalibrierteil (12) abgelegt. Das Kalibrierteil wird aus der Vorrichtung entfernt und an seiner Stelle das Werkstück/Nocke (10) in Bearbeitungsposition gebracht. Beim Be arbeitungsvorgang werden die magnetischen Schleifbandträger (2) durch die Führungen der Schleifbandträger (8/9) federnd gegen die Nockenober fläche geführt. Das Werkstück/Nocke (10) wird in Drehung und in Rich tung seiner Drehachse in Oszillation versetzt und somit bearbeitet. Nach Bearbeitung werden die Magnetspulen (MS) umgepolt und die magne tischen Schleifbandträger (2) über die sich ablegenden Führungen (8/9) außer Eingriff gebracht.

Fig. 3:
Darstellung eines erfindungsgemäßen ferromagnetischen Schleifbandes (SF) im Querschnitt mit metallischem Träger (Metallfolie):

1 - Ferromagnetische Trägerschicht/Metallfolie
2 - In Harzen gebundenes Schleifkorn

Fig. 4:
Darstellung eines erfindungsgemäßen ferromagnetischen Schleifbandes (SF) mit Trägerfolie aus Gemisch von ferromagnetischem Metallpulver in Kunst stoff:

1 - Trägerschicht Kunststoffolie mit eingebettetem ferromagnetischen Pulver
2 - In Harzen gebundenes Schleifkorn

Fig. 5:
Darstellung einer Vorrichtung mit "harter" Schleifschale und nicht komprimierbarem Schleifband:

1 - Herkömmlicher "fester" Schleifbandträger (siehe z. B. US-Patent Nr. 4682 444 der Fa. IMPCO)
2 - Schleifband herkömmlicher Art (nicht komprimierbar)
3 - Wellige Werkstoffoberfläche
4 - Maßstäblich vergrößerte Welligkeit der Werkstückoberfläche

Fig. 6:
Darstellung einer herkömmlichen Vorrichtung mit keramisch gebundenen Schleifsteinen:

1 - Keramisch gebundener Schleifstein
2 - Werkstück
3 - Welligkeit der Oberfläche des Werkstückes (maßstäblich vergrößert)
P - Andruckkraft

Fig. 7:
Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung:

1 - Magnetischer Schleifbandhalter
2 - Ferromagnetisches Schleifband
3 - Werkstück
4 - Welligkeit der Werkstückoberfläche (maßstäblich vergrößert)
F - Magnetische Zugkräfte
P - Andruckkraft

Claims

1. Vorrichtung für die Bearbeitung von Werkstückoberflächen an rota tionssymmetrischen und symmetrischen Werkstücken, insbesonders von Kurbel-, Nocken- und Getriebewellen mittels Schleifbändern und der Werkstückform entsprechenden nicht umlaufenden Schleifbandträgern, die an die Werkstückoberfläche angedrückt werden, wodurch das Schleif band die Werkstückoberfläche bearbeitet, während das Werkstück sich dreht und in Richtung seiner Drehachse oszilliert, dadurch gekenn zeichnet, daß das Schleifband in seinem Trägermaterial eine ferro magnetische Schicht beinhaltet, durch die das Schleifband mittels magnetischer Zugkräfte (F) der im magnetischen Schleifbandträger (2) befindlichen Magnete/Magnetspulen (MS) formgerecht fixiert wird, wobei das ferromagnetische Schleifband (SF) über ein Magazin (M) mittels magnetischer Zuführung (3) zu- und abgeführt werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromag netische Schleifband (SF) als Trägerschicht ein metallisches Eisen-, Nickel-, Kobalt- oder andere ferromagnetische Metallfolien enthält.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das ferromagnetische Schleifband (SF) als Trägerschicht eine Kunststoff-ferromagnetische Pulvermischung aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß im werkstückformgerechten magnetischen Schleifband träger (2) Elektro- oder Permanentmagnete enthalten sind, die das ferromagnetische Schleifband (SF) formgerecht beim Bearbeitungsvor gang fixieren.

5. Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das ferromagnetische Schleifband (SF) mittels gesteuer tem Magnetzuführer (3) aus einem Magazin (M) zu- bzw. abgeführt wird.

6. Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der magnetische Schleifbandträger (2) im Maschinen gestell (1) beweglich gelagert ist und mit steuerbarer Anpreßkraft zusammen mit dem ferromagnetischen Schleifband (SF) gegen das Werkstück (8) gedrückt wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß das Werkstück (8) im Maschinengestell (1) drehbar gela gert ist und von da aus angetrieben wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der magnetische Schleifbandträger (2) bei Bedarf eine Oszillationsbewegung in Richtung der Werkstückachse (Drehung) aus führen kann, die sich mit der Oszillation des Werkstückes (8) über lagert.

9. Vorrichtung, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß bei der Bearbeitung von Nockenflanken, das ferromag netische Schleifband (SF) mit einem nicht magnetischen Kalibrier teil (12), dessen Form empirisch bestimmt wird, im magnetischen Schleif bandträger (2) vorpositioniert bzw. magnetisch fixiert wird, bevor das eigentliche Werkstück (Nocke) in die Vorrichtung eingelegt wird.