DE102009040060A1

DE102009040060A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Feinstbearbeitung von Umfangsflächen an ringförmigen Werkstücken aus gehärtetem Stahl

Info

Publication number: DE102009040060A1
Application number: DE102009040060A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Hesse
Original assignee: Thielenhaus Technologies GmbH
Current assignee: Thielenhaus Technologies GmbH
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-03-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinstbearbeitung von Umfangsflächen an ringförmigen Werkstücken aus gehärtetem Stahl. Das zu bearbeitende Werkstück wird stirnseitig gespannt und während der Werkstückbearbeitung rotierend angetrieben. Eine umfangsseitige Fläche des um seine Achse rotierenden Werkstückes wird zunächst durch Hartdrehen soweit bearbeitet, dass die bearbeitende Fläche vorgegebene Form- und Lagetoleranzen einhält. Anschließend wird das Werkstück in derselben Aufspannung durch Kurzhubhonen endbearbeitet. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Feinstbearbeitung von Umfangsflächen an ringförmigen Werkstücken aus gehärtetem Stahl. Bei den Werkstücken kann es sich insbesondere um Lagerringe mit einem Durchmesser von vorzugsweise mehr als 400 mm handeln.
Aus DE 10 2007 037 791 A1 ist ein Verfahren zur Feinstbearbeitung von Umfangsflächen an ringförmigen Werkstücken bekannt, bei dem die zu bearbeitenden Werkstückflächen zunächst durch Hartdrehen soweit bearbeitet werden, dass die bearbeiteten Flächen vorgegebene Form- und Lagetoleranzen einhalten, und anschließend durch Schlichtschleifen nachbearbeitet werden. Durch das Hartdrehen mit einer geometrisch bestimmten Schneide entsteht eine periodische Oberflächenwelligkeit mit regelmäßig beabstandeten Spitzen und Tälern. Ferner können Randzonenbeschädigungen, etwa Neuhärtungs- und Anlasszonen an der Werkstückoberfläche, auftreten. Durch das Schlichtschleifen sollen die Oberflächenrauigkeit, Oberflächenwelligkeit und Oberflächenstruktur der bearbeiteten Flächen verbessert werden. Der Schleifabtrag beträgt weniger als 10 μm und zumeist weniger als 5 μm. Das Hartdrehen und der nachfolgende Schleifprozess können auf einer konventionellen Drehmaschine und in derselben Aufspannung des Werkstückes durchgeführt werden.
Formfehler, die bei der spanenden Bearbeitung durch Schwingungen des Werkzeuges, Werkzeughalters oder der Werkzeugmaschine entstehen und eine in Umfangsrichtung verlaufende Welligkeit bzw. Gestaltabweichung 2. Ordnung bilden, können durch den nachfolgenden Schleifprozess nicht beseitigt oder verbessert werden. Durch das Schlichtschleifen ist eine Rauigkeit von Ra 0,2 μm bis 0,3 μm erreichbar. Auch dieser Wert erfüllt noch nicht höchste Anforderungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Feinstbearbeitung von Umfangsflächen an ringförmigen Werkstücken aus gehärtetem Stahl anzugeben, mit dem Werkstückflächen erzeugt werden können, die höchste Anforderungen an Formgenauigkeit, Maßhaltigkeit und Oberflächengüte erfüllen.
Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren nach Anspruch 1. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine umfangsseitige Fläche eines stirnseitig gespannten und um seine Achse rotierenden Werkstückes zunächst durch Hartdrehen soweit bearbeitet, dass die bearbeitete Fläche vorgegebene Form- und Lagetoleranzen einhält. Anschließend wird das Werkstück in derselben Aufspannung durch Kurzhubhonen endbearbeitet. Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert den Prozess des Präzisionshartdrehens, vorzugsweise unter Verwendung eines Hartdrehwerkzeuges mit einer geometrisch bestimmten Schneide, und das Kurzhubhonen zu einem Bearbeitungsprozess.
Durch Präzisionshartdrehen kann bei der Bearbeitung eines ringförmigen Werkstückes, welches beispielsweise einen Durchmesser zwischen 400 und 2.500 mm aufweist, eine Formgenauigkeit und Lagegenauigkeit von weniger als 3 μm erzielt werden. Durch das Präzisionshartdrehen unter Verwendung einer geometrisch bestimmten Schneide entsteht eine schnittige Oberfläche aus regelmäßig beabstandeten Spitzen und Tälern, die für eine Nachbearbeitung durch Kurzhubhonen überraschend gut geeignet ist. Der zum Kurzhubhonen verwendete Finishstein wird an dieser Oberfläche gleichsam selbsttätig geschärft und behält dadurch über einen ausreichend langen Zeitraum seine Wirksamkeit. Gestaltabweichungen 2. Ordnung, die in Umfangsrichtung des Werkstückes als Vieleck wahrgenommen und als Welligkeit bezeichnet werden, können durch das Kurzhubhonen deutlich verbessert bzw. reduziert werden. Sofern die Welligkeit aus in Umfangsrichtung mehr als acht Ecken besteht, ist eine Verbesserung von bis zu 25% möglich.
Durch das Kurzhubhonen wird vorzugsweise Material in einer Stärke von 10 bis 12 μm von der zu bearbeitenden Umfangsfläche des Werkstückes abgetragen. Dabei wird die Rauigkeit der Werkstückoberfläche, die nach dem Hartdrehen vorzugsweise einer Rauigkeit zwischen Ra 0,3 μm und Ra 0,5 μm aufweist, auf Ra 0,04 μm bis 0,10 μm reduziert.
Das Kurzhubhonen wird vorzugsweise mit einem Werkzeug ausgeführt, welches kurzhubige Oszillationsbewegungen mit einer Hublänge von weniger als 5 mm sowie mit einer Reversierfrequenz von bis zu 1.800 Doppelhüben pro Minute ausführt. Die Oszillationsbewegungen können Schwenkbewegungen oder lineare Bewegungen sein. Bei der Bearbeitung von Zylinderflächen, kegelförmigen und konischen Flächen oder schwach gekrümmten Flächen kann die Kontur der zu bearbeitenden Werkstückfläche beim Kurzhubhonen mittels langhubiger Reversierbewegungen des Finishsteins abgefahren werden, wobei den Reversierbewegungen kurzhubige Oszillationsbewegungen des Finishsteins überlagert werden.
Zur Vermeidung einer Werkstückdeformation beim Aufspannen des Werkstückes wird das Werkstück vorzugsweise auf einem Magnetspannfutter gespannt. Dabei ist das Werkstück mit einer vorzugsweise plan geschliffenen Stirnfläche an dem Magnetspannfutter durch Magnetkräfte gehalten.
Die beim Hartdrehen erzeugten Späne werden zweckmäßig an der Schneide des Hartdrehwerkzeuges abgesaugt. Die Absaugung ist insbesondere notwendig, wenn beim Kurzhubhonen eine entflammbare Kühlflüssigkeit, ein so genanntes Honöl, zum Einsatz kommt. Die abgesaugten Späne können separat entsorgt werden. Ferner kann dadurch sichergestellt werden, dass das Honöl sich nicht an den heißen Spänen entzündet.
Eine weitere Verfahrensvariante sieht vor, dass das Kurzhubhonen trocken ohne Zusatz von flüssigen Kühlschmiermitteln durchgeführt wird. Zu diesem Zweck werden die Finishsteine durch Einlagerung von festen Gleitmitteln modifiziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Bearbeitung von inneren und äußeren Umfangsflächen an Lagerringen, die einen Durchmesser zwischen 400 mm und 2.500 mm aufweisen können. Es können zylindrische Flächen, kegelförmige und konische Flächen sowie sphärische Flächen an Wälzlagerringen beispielsweise für Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager, ein- und zweireihige Pendelrollenlager sowie Kugellager bearbeitet werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung nach Anspruch 10 zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens. Bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtung werden in den Ansprüchen 11 bis 17 beschrieben und nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen schematisch
1a und 1b eine Vorrichtung zur Feinstbearbeitung von Umfangsflächen an ringförmigen Werkstücken in verschiedenen Funktionsstellungen,
2 und 3 alternative Ausgestaltungen der Vorrichtung.
In den 1a und 1b ist eine Vorrichtung zur Feinstbearbeitung von Umfangsflächen an ringförmigen Werkstücken aus gehärtetem Stahl dargestellt. Zum grundsätzlichen Aufbau dieser Vorrichtung gehören ein rotierend antreibbarer Werkstückträger 1, eine mit einer Schwenkeinheit 2 ausgestattete Basismaschine 3, die lineare Zustellbewegungen der Schwenkeinheit 2 entlang einer horizontalen Achse X und einer vertikalen Achse Y ermöglicht, eine an die Schwenkeinheit 2 angeschlossene Finishvorrichtung 4 zum Kurzhubhonen sowie ein Werkzeughalter 5 für mindestens ein Hartdrehwerkzeug 6. Die Finishvorrichtung 4 umfasst einen im Ausführungsbeispiel nicht dargestellten Oszillationsantrieb sowie einen an den Oszillationsantrieb angeschlossenen Werkzeugträger mit mindestens einem Steinhalter 7 für einen Finishstein 8. Die Schwenkeinheit 2 weist eine zu den beiden linearen Achsen X, Y orthogonale Drehachse B auf. Der Werkzeughalter 5 für das Hartdrehwerkzeug 6 ist zumindest entlang der horizontalen Linearachse X der Basismaschine 3 verstellbar.
Im Ausführungsbeispiel der 1a und 1b weist die Basismaschine 3 einen Kreuzschlitten 9 mit einer maschinenfest angeordneten horizontalen Schlittenführung 10 und einem entlang der horizontalen Schlittenführung 10 verfahrbaren Träger 11 mit einer vertikalen Schlittenführung 12 auf. Der Schwenkantrieb 2 ist entlang der vertikalen Schlittenführung 12 verfahrbar.
Der Werkzeugträger der Finishvorrichtung weist im Ausführungsbeispiel zwei Steinhalter 7 für jeweils einen Finishstein 8 auf, wobei die Steinhalter 7 durch eine Drehbewegung der Schwenkeinheit 2 an der zu bearbeitenden Werkstückfläche positionierbar sind (1b). Die Schwenkeinheit 2 ist an eine Werkzeugplattform 13 angeschlossen, an der räumlich getrennt auch der Werkzeughalter 5 für das Hartdrehwerkzeug 6 angeordnet ist. Einer vergleichenden Betrachtung der 1a und 1b entnimmt man, dass der Werkzeughalter 5 an einer an der Werkzeugplattform 13 angeordneten Aufnahmeschiene 14 befestigt ist. Entlang der Aufnahmeschiene 14 ist der Werkzeughalter 5 für das Hartdrehwerkzeug 6 zwischen einer in 1a dargestellten Arbeitsposition und einer Ruheposition während der in 1b dargestellten Funktionsstellung bewegbar. In der in 1b dargestellten Funktionsstellung erfolgt die Werkstückbearbeitung durch Kurzhubhonen.
Mit der in den 1a und 1b dargestellten Vorrichtung wird eine umfangsseitige Fläche eines stirnseitig auf dem Werkstückträger 1 gespannten und während der Werkstückbearbeitung rotierend angetriebenen Werkstückes 15 zunächst durch Hartdrehen soweit bearbeitet, dass die bearbeitete Fläche vorgegebene Form- und Lagetoleranzen einhält. Dieser Prozessschritt ist in 1a dargestellt. Beim Hartdrehen wird ein Hartdrehwerkzeug 6 mit einer geometrisch bestimmten Schneide, beispielsweise einer CBN-Schneide aus hubischem Bornitrid, verwendet. In einem zweiten Prozessschritt wird das Werkstück anschließend in derselben Aufspannung durch Kurzhubhonen endbearbeitet. Dieser Prozessschritt ist in 1b dargestellt.
Beim Kurzhubhonen wird Material in einer Stärke von 10 bis 12 μm von der zu bearbeitenden Umfangsfläche des Werkstückes 15 abgetragen. Dabei wird die Rauigkeit der Werkstückoberfläche, die nach dem Hartdrehen einer Rauigkeit zwischen Ra 0,3 μm bis Ra 0,5 μm aufweist, auf Ra 0,04 μm bis Ra 0,10 μm reduziert. Das Kurzhubhonen wird stets mit einem Werkzeug ausgeführt, welches kurzhubige Oszillationsbewegungen mit einer Hublänge von weniger als 5 mm sowie mit einer Reversierfrequenz von bis zu 1.800 Doppelhüben pro Minute ausführt. Durch lineare Stellbewegungen der linearen Maschinenachsen X, Y, ggf. in Kombination mit gesteuerten Drehbewegungen der Schwenkeinheit 2, um die Drehachse B kann die Kontur der zu bearbeitenden Werkstückfläche beim Kurzhubhonen mittels langhubiger Reversierbewegungen des Finishsteins 8 abgefahren werden, wobei den Reversierbewegungen kurzhubige Oszillationsbewegungen des Finishsteins überlagert werden.
Als Werkstückträger 1 wird vorzugsweise ein Magnetspannfutter verwendet, auf dem das Werkstück 15 mit einer vorzugsweise plan geschliffenen Stirnfläche ohne umfangsseitige Abstützung magnetisch gespannt wird.
Bei der in 2 dargestellten Vorrichtung ist die Schwenkeinheit 2 zur Aufnahme mindestens eines Hartdrehwerkzeuges 6 eingerichtet. Durch eine Drehbewegung der Schwenkeinheit 2 um die Drehachse B sind das Hartdrehwerkzeug 6 und die Finishvorrichtung 4 an der zu bearbeitenden Werkstückfläche positionierbar. Die Schwenkeinheit 2 weist eine nicht dargestellte Klemmvorrichtung auf, mit der die Schwenkeinheit 2 zumindest während des Hartdrehprozesses gegen Verdrehen gesichert ist.
Im Ausführungsbeispiel der 3 weist die Basismaschine 3 eine maschinenfest angeordnete horizontale Schlittenführung 10 und zwei entlang der horizontalen Schlittenführung 10 verfahrbare Träger 11, 11' mit jeweils einer vertikalen Linearachse Y, Y' auf. Um die vertikale Linearachse Y des ersten Trägers 11 ist eine Schwenkeinheit 2 mit einer Finishvorrichtung 4 zum Kurzhubhonen angeschlossen. Die vertikale Linearachse Y' des zweiten Trägers 11' weist einen Werkzeughalter 16 für mindestens ein Hartdrehwerkzeug 6 auf. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Werkzeughalter 16 aus einem Werkzeugrevolver, der beispielsweise bis zu zwölf Hartdrehwerkzeuge aufnehmen kann. Die Finishvorrichtung 4 ist mit zwei Finishsteinen 8 bestückt, die durch eine 180° Drehung der Schwenkeinheit 2 wechselweise in Betriebsposition gebracht werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007037791 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Feinstbearbeitung von Umfangsflächen an ringförmigen Werkstücken aus gehärtetem Stahl, wobei ein gehärtetes ringförmiges Werkstück (15) stirnseitig gespannt und während der Werkstückbearbeitung rotierend angetrieben wird, wobei eine umfangsseitige Fläche des um seine Achse rotierenden Werkstückes (15) zunächst durch Hartdrehen soweit bearbeitet wird, dass die bearbeitete Fläche vorgegebene Form- und Lagetoleranzen einhält und wobei das Werkstück (15) anschließend in derselben Aufspannung durch Kurzhubhonen endbearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Hartdrehen ein Hartdrehwerkzeug (6) mit einer geometrisch bestimmten Schneide verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Kurzhubhonen Material in einer Stärke von 10 μm bis 12 μm von der zu bearbeitenden Umfangsfläche des Werkstückes (15) abgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Hartdrehen eine Werkstückfläche erzeugt wird, die eine Rauigkeit zwischen Ra 0,3 μm und Ra 0,5 μm aufweist, und dass durch das nachfolgende Kurzhubhonen die Rauigkeit der Werkstückfläche auf Ra 0,04 μm bis Ra 0,10 μm reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzhubhonen mit einem Werkzeug ausgeführt wird, welches kurzhubige Oszillationsbewegungen mit einer Hublänge von weniger als 5 mm sowie mit einer Reversierfrequenz von bis zu 1.800 Doppelhüben pro Minute ausführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der zu bearbeitenden Werkstückfläche beim Kurzhubhonen mittels langhubiger Reversierbewegungen eines Finishsteins (8) abgefahren wird, wobei den Reversierbewegungen kurzhubige Oszillationsbewegungen des Finishsteins (8) überlagert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (15) ohne umfangsseitige Abstützung auf einem Magnetspannfutter gespannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Hartdrehen erzeugten Späne an der Schneide des Hartdrehwerkzeuges (6) abgesaugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzhubhonen trocken ohne Zusatz von flüssigen Kühlschmiermitteln durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem rotierend antreibbaren Werkstückträger (1), einer mit einer Schwenkeinheit (2) ausgestatten Basismaschine (3), die lineare Zustellbewegungen der Schwenkeinheit (2) entlang einer horizontalen Achse (X) und einer vertikalen Achse (Y) ermöglicht, einer an die Schwenkeinheit (2) angeschlossenen Finishvorrichtung (4) zum Kurzhubhonen, die einen Oszillationsantrieb und einen an den Oszillationsantrieb angeschlossenen Werkzeugträger mit mindestens einem Steinhalter (7) für einen Finishstein (8) aufweist, und einem Werkzeughalter (5) für mindestens ein Hartdrehwerkzeug (6), wobei die Schwenkeinheit (2) eine zu den beiden linearen Achsen (X, Y) orthogonale Drehachse (B) aufweist und wobei der Werkzeughalter (5) für das Hartdrehwerkzeug (6) zumindest entlang der horizontalen Linearachse (X) der Basismaschine (3) verstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Basismaschine (3) einen Kreuzschlitten (9) mit einer maschinenfest angeordneten horizontalen Schlittenführung (10) und einem entlang der horizontalen Schlittenführung (10) verfahrbaren Träger (11) mit einer vertikalen Schlittenführung (12) aufweist, wobei der Schwenkantrieb (2) entlang der vertikalen Schlittenführung (12) verfahrbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugträger der Finishvorrichtung (4) zwei Steinhalter (7) für jeweils einen Finishstein (8) aufweist, wobei die Steinhalter (7) durch eine Drehbewegung der Schwenkeinheit (2) an der zu bearbeitenden Werkstückfläche positionierbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkeinheit (2) zur Aufnahme mindestens eines Hartdrehwerkzeuges (6) eingerichtet ist, wobei durch Drehbewegungen der Schwenkeinheit (2) das Hartdrehwerkzeug (6) und die Finishvorrichtung (4) an der zu bearbeitenden Werkstückfläche positionierbar sind, und dass die Schwenkeinheit (2) eine Klemmvorrichtung aufweist, mit der die Schwenkeinheit (2) zumindest während des Hartdrehprozesses gegen Verdrehen gesichert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Basismaschine (3) eine in zwei Achsen (X, Y) verstellbare Werkzeugplattform (13) aufweist, an der die Schwenkeinheit (2) und räumlich getrennt der Werkzeughalter (5) für das Hartdrehwerkzeug (6) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass an der Werkzeugplattform (13) eine Einrichtung vorgesehen ist, um den Werkzeughalter (5) für das Hartdrehwerkzeug (6) zwischen einer Arbeitsposition für den Hartdrehprozess und einer Ruheposition während des Kurzhubhonens zu verlagern.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass an der Werkzeugplattform (13) eine Aufnahmeschiene (14) zum Anschluss des Werkzeughalters (5) für das Hartdrehwerkzeug (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Basismaschine (3) eine maschinenfest angeordnete horizontale Schlittenführung (10) und zwei entlang der horizontalen Schlittenführung (10) verfahrbare Träger (11, 11') mit jeweils einer vertikalen Linearachse (Y, Y') aufweist, wobei an die vertikale Linearachse (Y) des ersten Trägers (11) eine Schwenkeinheit mit einer Finishvorrichtung (4) zum Kurzhubhonen angeschlossen ist und wobei an die vertikale Linearachse (Y') des zweiten Trägers (11') ein Werkzeughalter (5) für mindestens ein Hartdrehwerkzeug (6) angeschlossen ist.