DE102022212676A1

DE102022212676A1 - Finishverfahren, Finishmaschine und Finishkopf

Info

Publication number: DE102022212676A1
Application number: DE102022212676.9A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Heinz; Martin Griesinger
Original assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Nagel Technologies De GmbH
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2024-05-29
Also published as: WO2024115140A1

Abstract

Bei einem Finishverfahren zur Finishbearbeitung eines Werkstücks (100), das eine um eine Werkstückachse (112) herum verlaufende Mantelfläche (114) und wenigstens eine finishend zu bearbeitende Stirnfläche (115) aufweist, wird das Werkstück zur Durchführung einer Finishbearbeitung um die Werkstückachse rotiert und die Stirnfläche wird mittels eines ersten Finishwerkzeugs bearbeitet, welches an die Stirnfläche angedrückt und in eine quer zur Werkstückachse verlaufende erste Oszillationsbewegung versetzt wird. Dabei wird ein Werkstück bearbeitet, bei dem die Mantelfläche und die Stirnfläche in einem Übergangsbereich ineinander übergehen und die Stirnfläche (115) wenigstens in einem an den Übergangsbereich angrenzenden, ringförmigen Außenabschnitt (119) eine in Radialrichtung gewölbte Kontur aufweist derart, dass ein Winkel zwischen der Werkstückachse und einer lokalen Oberflächennormale (N) der Stirnfläche in radialer Richtung variiert. Zum Finishen wird ein erstes Finishwerkzeug verwendet, das einen Andrückschuh (230) aufweist, der ein Finishband (210) an die Stirnfläche andrückt, wobei der Andrückschuh um eine Schwenkachse (235) schwenkbeweglich ist und bei Änderung einer radialen Position einer Eingriffszone zwischen Finishband und Stirnfläche der gewölbten Kontur der Stirnfläche unter Veränderung der Schwenklage folgt.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Finishverfahren sowie eine Finishmaschine zur Finishbearbeitung eines Werkstücks, das eine um eine Werkstückachse herum verlaufende Mantelfläche und wenigstens eine finishend zu bearbeitende Stirnfläche aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen zur Durchführung des Finishverfahrens an der Finishmaschine verwendbaren Finishkopf.
Das Finishen, das auch als Superfinishen bezeichnet wird, ist ein spanendes Feinbearbeitungsverfahren mit unbestimmten Schneiden. Durch Finishen können Werkstückoberflächen an Werkstücken zur Erzeugung einer gewünschten Oberflächenfeinstruktur bearbeitet werden. Bei der Finishbearbeitung wird das Werkstück um seine Werkstückachse gedreht. Gleichzeitig wird eine mit gebundenen Schneidkörnern versehene abrasive Arbeitsfläche eines Finishwerkzeugs an die zu bearbeitende Werkstückoberfläche angedrückt. Durch die Werkstückrotation wird ein Beitrag zur Erzeugung der für den Materialabtrag erforderlichen Schnittgeschwindigkeit geleistet. In der Regel wird gleichzeitig eine parallel zur Werkstückoberfläche oszillierende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem an der Werkstückoberfläche anliegenden Finish-Werkzeug erzeugt. Durch die Kombination der Rotationsbewegung des Werkstückes und der überlagerten Oszillationsbewegung kann ein so genanntes Kreuzschliffmuster erzeugt werden. Mithilfe des Superfinishen bearbeitete Werkstückoberflächen sind z.B. als Laufflächen für Gleitlager oder Wälzlager oder als Oberflächen an Wälzkörpern für Wälzlager besonders geeignet.
Im Unterschied zum Schleifen ist das Finishen ein thermisch neutrales Bearbeitungsverfahren, bei dem keine mit Mikrorissen durchsetzte oder durch Oberflächenspannungen beeinträchtigte Weichhaut entsteht. Das Finishen wird häufig nach einem Schleifprozess als letztes spanabhebendes Bearbeitungsverfahren einer Prozesskette eingesetzt, um die Weichhaut zu entfernen, die ursprüngliche Gefügestruktur wieder freizulegen, den Traganteil der aufgerauten Oberflächenstruktur zu erhöhen und die Bauteilgeometrie bezüglich Rundheit und kurzwelligen Fehlern in Axialrichtung und Umfangsrichtung zu verbessern.
In vielen Fällen werden in einer Finishmaschine nur Umfangsflächen bzw. Mantelflächen von Werkstücken finishend bearbeitet. Es kann auch sein, dass eine Finishmaschine ausschließlich für die finishende Stirnbearbeitung einer oder mehrerer Stirnflächen eingerichtet ist. Es gibt auch Bearbeitungsaufgaben, bei denen mit einer Finishmaschine in einer Aufspannung sowohl wenigstens eine Mantelfläche (Umfangsfläche) als auch wenigstens eine Stirnseite eines Werkstücks finishend bearbeitet werden sollen.
Die DE 10 2020 134 461 A1 beschreibt eine Finishbearbeitungsvorrichtung, mit welcher eine flexible Finishbearbeitung unterschiedlich geformter Werkstücke möglich sein soll. Beschrieben ist unter anderem die Finishbearbeitung einer tonnenförmigen Rolle an der Umfangsfläche, an den ebenen Stirnseiten und am dazwischen liegenden, abgerundeter Übergangsbereich (siehe 8 bis 10).
Die Patentschrift US 3,021,648 offenbart ein Finishbearbeitungssystem, mit dem ein Werkstück in Form einer Lagerrolle mit konischer Mantelfläche finishend bearbeitet wird. Das Werkstück wird um seine Werkstückachse rotierend angetrieben und ist dazu zwischen zwei Antriebsrädern gehalten. Die Umfangsfläche wird mithilfe eines über einen Andrückschuh („honing shoe“) geführten Finishbands gefinisht. Dieser Andrückschuh wird oszillierend angetriebenen. Die ebene Stirnfläche der Rolle wird mithilfe eines weiteren Finishbands gefinisht, das über ein Andrückelement an die Stirnseite angedrückt wird. Dieses Andrückelement führt keine Oszillationsbewegung aus, da die Rotation des Werkstücks ausreichen soll, um den Materialabtrag zu erzielen.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Finishverfahren und eine Finishmaschine sowie einen zur Durchführung des Finishverfahrens an der Finishmaschine verwendbaren Finishkopf bereitzustellen, die es gestatten, an einem Werkstück eine finishend zu bearbeitende Stirnfläche zu bearbeiten, wobei ohne konstruktive Änderungen Stirnflächen mit unterschiedlicher Form, insbesondere auch ballige Stirnflächen, gefinisht werden können. Vorzugsweise soll es möglich sein, in einer Aufspannung sowohl wenigstens eine Mantelfläche als auch wenigstens eine Stirnfläche zu finishen.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Finishverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin werden eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Finishvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 6 sowie ein Finishkopf mit den Merkmalen von Anspruch 15 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Inhalt sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Gemäß einer Formulierung der Erfindung wird ein Finishverfahren zur Finishbearbeitung eines Werkstücks bereitgestellt, das eine um eine Werkstückachse herum verlaufende Mantelfläche und wenigstens eine finishend zu bearbeitende Stirnfläche aufweist. Als „Stirnfläche“ wird hier eine Werkstückoberfläche bezeichnet, die quer zur Werkstückachse verläuft und diese schneidet. Eine Stirnfläche kann z.B. vollständig in einer senkrecht zur Werkstückachse liegenden Ebene liegen oder wenigstens einen ebenen Teilabschnitt aufweisen, der in dieser Ebene liegt. Eine Stirnfläche kann auch abschnittsweise oder vollständig gewölbt bzw. gekrümmt sein.
Vorzugsweise wird zusätzlich zur Stirnfläche auch wenigstens eine Mantelfläche finishend bearbeitet. Alternativ oder zusätzlich wird manchmal auch eine weitere Stirnfläche gefinisht.
Zur Bearbeitung wird das Werkstück in einer Werkstückaufnahmeeinrichtung einer Finishmaschine aufgenommen und zur Durchführung einer Finishbearbeitung mithilfe eines Rotationsantriebs der Finishmaschine um die Werkstückachse rotiert. Die wenigstens eine finishend zu bearbeitende Stirnfläche wird wenigstens über einen Teil ihrer radialen Ausdehnung mittels eines ersten Finishwerkzeugs bearbeitet, welches in dieser Anmeldung alternativ auch als „Stirnflächen-Finishwerkzeug“ bezeichnet wird. Das erste Finishwerkzeug wird an die Stirnfläche angedrückt und in eine quer zur Werkstückachse verlaufende erste Oszillationsbewegung versetzt. Dabei wird ein Werkstück bearbeitet, bei dem eine Mantelfläche und die Stirnfläche in einem relativ schmalen Übergangsbereich aneinander angrenzen bzw. ineinander übergehen und die Stirnfläche wenigstens in einem an diesen Übergangsbereich angrenzenden, im Wesentlichen ringförmigen Außenabschnitt eine in Radialrichtung gewölbte bzw. ballige Kontur aufweist. Die ballige Kontur kann auch so beschrieben werden, dass entlang der Kontur ein Winkel zwischen der Werkstückachse und einer lokalen Oberflächennormalen der Stirnfläche in radialer Richtung variiert. Die Stirnfläche kann dabei über ihre gesamte radiale Ausdehnung eine gewölbte Kontur haben. Manchmal reicht es für den Verwendungszweck auch aus, wenn nur ein zum Beispiel ringförmiger Außenabschnitt die gewölbte Gestalt aufweist, während ein um die Werkstückachse zentrierter innerer Bereich eben ist und sich senkrecht zur Werkstückachse erstreckt. Bei manchen Ausführungsformen hat der ringförmige Außenabschnitt eine radiale Ausdehnung, die wenigstens 10 % oder wenigstens 20 % oder wenigstens 30 % oder wenigstens 40 % oder 50 % oder mehr der radialen Ausdehnung der Stirnseite einschließt. Der Übergangsbereich kann nach Art einer schmalen Fase gestaltet oder mit kleinem Krümmungsradius verrundet sein.
Zur Bearbeitung dieser Stirnfläche wird ein erstes Finishwerkzeug (Stirnflächen-Finishwerkzeug) verwendet, das einen Andrückschuh aufweist der im Betrieb ein Finishband an die Stirnfläche andrückt. Die Stirnfläche wird also mittels Bandfinishen bearbeitet. Dabei ist der Andrückschuh um eine Schwenkachse in der Weise schwenkbeweglich, dass er bei Änderung der radialen Position einer Eingriffszone zwischen Finishband und Stirnfläche der gewölbten Kontur der Stirnfläche unter Veränderung der Schwenklage folgen kann. Da der Andrückschuh der Kontur der Stirnfläche selbsttätig folgen kann, können mithilfe eines derartigen Stirnflächen-Finishwerkzeugs unterschiedlich konturierte bzw. gestaltete Stirnflächen ohne konstruktive Modifikation am Stirnflächen-Finishwerkzeug mit demselben Stirnflächen-Finishwerkzeug mit hoher Präzision finishend bearbeitet werden. Vorzugsweise kann mit einem derartigen Stirnflächen-Finishwerkzeug auch der an die Stirnseite radial außen anschließende Übergangsbereich mindestens über einen Teil seiner Ausdehnung gefinisht werden, wobei dort bereits bei geringfügiger radialer Veränderung eine relativ starke Verschwenkung nötig sein kann. Es können somit Stirnflächen mit balligen Abschnitten oder auch komplett ballige Stirnflächen mit unterschiedlichen radialen Konturverläufen bearbeitet werden, ohne dass irgendeine Einstellung aufseiten der Finishmaschine oder des Stirnflächen-Finishwerkzeugs vorgenommen werden muss. Auch ebene Stirnflächen können mithilfe des ersten Finishwerkzeugs bzw. des Stirnflächen-Finishwerkzeugs bearbeitet werden.
Vorzugsweise wird bei dem Finishverfahren auch wenigstens eine Mantelfläche mittels eines Mantelflächen-Finishwerkzeugs bearbeitet, welches in dieser Anmeldung auch als zweites Finishwerkzeug bezeichnet wird und welches an die Mantelfläche angedrückt und in eine parallel zu einer Mantellinie der Mantelfläche verlaufende zweite Oszillationsbewegung versetzt wird.
Gemäß einer Weiterbildung wird ein erstes Finishwerkzeug (Stirnflächen-Finishwerkzeug) mit einem Finishkopf verwendet, der mit einem Basisteil an einer Finishkopf-Aufnahme einer Finisheinheit befestigt ist und den Andrückschuh trägt, der ein Finishband an die Stirnfläche andrückt, wobei der Andrückschuh gegenüber dem Basisteil um eine Schwenkachse schwenkbeweglich ist und bei Änderung der radialen Position einer Eingriffszone zwischen Finishband und Stirnfläche der gewölbten Kontur der Stirnfläche unter Veränderung der Schwenklage folgt. Der Finishkopf ist eine auswechselbare Werkzeugeinheit, die an einer Finishkopf-Aufnahme einer Finisheinheit lösbar befestigt werden kann. Für die Stirnbearbeitung wesentliche Funktionalitäten können durch die Konstruktion des Finishkopfs realisiert werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Finishmaschine bereitgestellt, die zur Durchführung des Finishverfahrens konfiguriert ist. Der Begriff „Finishmaschine“ bezeichnet dabei eine computernumerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, die bei Verwendung von geeigneten Finishwerkzeugen zum Finishen (Superfinishen) verwendet werden kann und entsprechend konfigurierbar ist. Insbesondere kann es sich dabei um eine dedizierte Finishmaschine handeln, die speziell für die Durchführung von Finishprozessen ausgelegt ist. Gegebenenfalls kann auch eine andere Werkzeugmaschine, z.B. ein Bearbeitungszentrum, als Finishmaschine genutzt werden.
Die Finishmaschine umfasst eine Werkstückaufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des Werkstücks und einen Rotationsantrieb zur Erzeugung einer Rotation des aufgenommenen Werkstücks um eine Werkstückrotationsachse sowie eine erste Finisheinheit zur Aufnahme eines als Stirnflächen-Finishwerkzeug dienenden ersten Finishwerkzeugs zur Bearbeitung der Stirnfläche, wobei die erste Finisheinheit eine erste Andrückeinrichtung zum Andrücken des ersten Finishwerkzeugs an die Stirnfläche mit einer parallel zur Werkstückrotationsachse gerichteten Kraftkomponente sowie einen ersten Oszillationsantrieb zur Erzeugung einer Oszillation des ersten Finishwerkzeugs in einer quer zur Werkstückrotationsachse verlaufenden ersten Oszillationsrichtung aufweist.
Bei einer betriebsfertig eingerichteten Finishmaschine weist das Stirnflächen-Finishwerkzeug (erstes Finishwerkzeug) einen Finishkopf auf, der ein Basisteil aufweist, welches an einer Finishkopf-Aufnahme einer Finisheinheit befestigt ist. Der Finishkopf weist einen Andrückschuh zum Andrücken von Finishband an die Stirnfläche sowie zwischen dem Basisabschnitt und dem Andrückschuh ein integriertes Schwenkgelenk auf, das derart ausgebildet ist, dass der Andrückschuh gegenüber dem Basisteil um eine Schwenkachse schwenkbeweglich ist und bei Änderung der radialen Position eines Eingriffsbereichs zwischen Finishband und Stirnfläche der gewölbten Kontur der Stirnfläche unter Veränderung der Schwenklage folgen kann. Um der Kontur folgen zu können, ist der Andrückschuh vorzugsweise ein passives Element, das nicht mit einem Aktor gekoppelt ist.
Vorzugsweise weist die Finishmaschine zusätzlich (wenigstens) eine zweite Finisheinheit zur Aufnahme eines zweiten Finishwerkzeugs zur Bearbeitung der Mantelfläche auf, wobei die zweite Finisheinheit eine zweite Andrückeinrichtung zum Andrücken des Finishwerkzeugs an die Mantelfläche sowie einen zweiten Oszillationsantrieb zur Erzeugung einer Oszillation des zweiten Finishwerkzeugs in einer parallel zu einer Mantellinie der Mantelfläche verlaufenden zweiten Oszillationsrichtung aufweist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des Finishverfahrens werden die Mantelfläche und die mindestens eine Stirnfläche wenigstens über eine Phase einer Gesamt-Bearbeitungszeit gleichzeitig finishend bearbeitet. Dadurch kann bei Werkstücken, die sowohl eine Finishbearbeitung der Mantelfläche als auch wenigstens einer der Stirnflächen erfordern, mit besonders hoher Produktivität gearbeitet werden. Eine zeitversetzte Finishbearbeitung ist jedoch auch möglich. Gegebenenfalls können bei einem Werkstück auch zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen teilweise oder vollständig entweder nacheinander oder phasenweise gleichzeitig ohne Umspannen des Werkstücks gefinisht werden.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Andrückschuh eine zweidimensional ausgedehnte, elastisch nachgiebige Kontaktfläche zum Kontakt mit der Rückseite des Finishbands auf. Dadurch kann erreicht werden, dass sich auch bei einer gewölbten Kontur der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche das Finishwerkzeug flächig an diese Kontur anpassen kann und das Finishband flächig an die Werkstückoberfläche andrückt, so dass eine zweidimensional ausgedehnte Eingriffszone entsteht. Dies trägt unter anderem zu einem über die Stirnfläche gesehen relativ gleichmäßigen Materialabtrag bei und kommt auch der erzielbaren Oberflächenstruktur bzw. ihrer Gleichmäßigkeit zugute.
Konstruktiv ist dies bei manchen Ausführungsformen dadurch gelöst, dass der Andrückschuh einen starren Träger und ein davon getragenes Andrückelement aus einem elastisch nachgiebigen Material aufweist, das eine zweidimensional ausgedehnte elastisch nachgiebige Kontaktfläche zum Kontakt mit einer Rückseite des Finishbands bildet.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Finishkopf Bandumlenkelemente eines Bandführungssystems auf, wobei die dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelemente an dem Basisteil, nicht aber am Andrückschuh angebracht sind. Dadurch kann der Andrückschuh mit kompakten Ausmaßen und geringerer Massenträgheit aufgebaut werden, so dass er der Kontur der Werkstückoberfläche auch bei relativ hochfrequenter Oszillationsbewegung leicht folgen kann. Zwischen den dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelementen, die in Bandlaufrichtung unmittelbar vor bzw. unmittelbar hinter dem Andrückschuh liegen und am Basisteil angeordnet sind, verläuft im Betrieb jeweils ein freier Bandabschnitt des Finishbands. Das Finishband kann der Schwenkbewegung des Andrückschuhs unter leichter Verdrillung der freien Abschnitte zwischen Andrückschuh und Bandumlenkelementen ohne weiteres folgen, so dass eine optimale Orientierung des Andrückschuhs an der Werkstückoberfläche dadurch nicht behindert wird.
Gemäß einer Weiterbildung ist ein Abstand zwischen der Schwenkachse und einer werkstückseitigen Andrückfläche des Andrückschuhs sehr gering, insbesondere höchstens doppelt so groß wie eine maximale wirksame Breite der Andrückfläche. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei einer gegebenen Krafteinleitung der Andrückkraft parallel zur Werkstückrotationsachse auch bei leicht verschwenktem Andrückschuh eine ausreichend große Normalkomponente der Andrückkraft senkrecht zur Werkstückoberfläche wirkt. Dadurch ergeben sich jedenfalls bei nicht zu großen Schwenkwinkeln unterhalb von 30° oder unterhalb von 20° oder kleiner nur relativ geringe Änderungen der Hebelverhältnisse beim Verschwenken des Andrückschuhs, so dass bei einer parallel zur Werkstückrotationsachse gerichteten Eingangsorientierung der Andrückkraft auch beim Verschwenken des Andrückschuhs ein überwiegenden Anteil dieser Kraft als Normalkraft in Richtung der Orientierung der Oberflächennormalen wirkt, so dass auch bei Änderungen der Orientierung der Oberflächennormalen eventuelle Schwankungen der Normalkraft gering bleiben. Hierdurch kann in Stirnflächen-Abschnitten mit einer Balligkeit in Radialrichtung ein Beitrag zu einer gleichmäßigen Oberflächenbearbeitung geleistet werden.
Eventuelle Ungleichmäßigkeiten des Materialabtrags beim Finishen der Stirnfläche können bei bevorzugten Ausführungsformen weitgehend dadurch vermieden werden, dass die Andrückkraft und/oder eine anteilige Bearbeitungsdauer des ersten Finishwerkzeugs und/oder eine Drehzahl einer Werkstückrotation in Abhängigkeit vom radialen Abstand der Eingriffszone zur Werkstückrotationsachse nach Programmvorgabe geändert wird, um Änderungen der Eingriffsbewegungen an der Eingriffszone wenigstens teilweise zu kompensieren. Beispielsweise kann bei Zunahme des Winkels zwischen lokaler Oberflächennormalen und Werkstückachse, also bei zunehmender Schrägstellung des finishend bearbeiteten Oberflächenbereichs, die von der Andrückeinrichtung eingeleitete Andrückkraft erhöht werden, um die Abnahme des an der Eingriffszone wirkenden Anteils der Andrückkraft durch die Schrägstellung des Andrückschuhs zu kompensieren. Andererseits ist zu berücksichtigen, dass die für den Materialabtrag wirksame Umfangsgeschwindigkeit im Bereich der Eingriffszone mit zunehmendem Abstand von der Werkstückrotationsachse steigt, so dass zum Beispiel bei Bearbeitung einer ebenen Stirnfläche die Andrückkraft bei zunehmendem Radialabstand auch sukzessive reduziert werden kann. Als weiterer Steuerungsparameter kann ggf. die anteilige Bearbeitungsdauer verändert werden, so dass beispielsweise bei Bedingungen, die zum einem höheren Zeitspannvolumen führen, die Bearbeitungsdauer kürzer und bei weniger aggressivem Materialabtrag die Bearbeitungsdauer länger wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Drehzahl der Werkstückrotation als Prozessparameter verwendet und variiert werden. Diese Maßnahmen tragen zur Vergleichmäßigung des Materialabtrags und zur Erzielung einer gleichmäßigen Oberflächengüte in unterschiedlichen radialen Abständen zur Werkstückachse bei.
Die Erfindung betrifft auch einen Finishkopf zur Verwendung beim Finishen einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks unter Verwendung eines an die Werkstückoberfläche andrückbaren Finishbands. Der Finishkopf umfasst ein Basisteil, welches Montagestrukturen zum Befestigen des Finishkopfs an einer Finishkopf-Aufnahme einer Finisheinheit sowie Bandumlenkelemente eines Bandführungssystems zum Führen des Finishbands aufweist. Der Finishkopf umfasst einen von dem Basisteil getragenen Andrückschuh mit einer zum Kontakt mit einer Rückseite des Finishbands vorgesehenen Kontaktfläche zum Andrücken des Finishbands an die zu bearbeitende Werkstückoberfläche. Die dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelemente, also in Bandlaufrichtung gesehen das unmittelbar vor und das unmittelbar hinter dem Andrückschuh angeordnete Bandumlenkelement, sind an dem Basiselement angebracht. Es kann sich insbesondere um achsparallel gelagerte drehbare Umlenkrollen handeln. Weiterhin umfasst der Finishkopf ein integriertes Schwenkgelenk, das zwischen dem Basisteil und dem Andrückschuh angeordnet und derart ausgebildet ist, dass der Andrückschuh gegenüber dem Basisteil um eine Schwenkachse schwenkbeweglich ist. Vorzugsweise ist kein mit dem Andrückschuh antriebsgekoppelten Aktor vorgesehen, so dass der Andrückschuh für eine passive Konturverfolgung optimiert ist.
Vorzugsweise ist die Konstruktion so, dass die dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelemente konvex gekrümmte Bandführungsflächen aufweisen, die eine gemeinsame Tangentialebene definieren, wobei die Schwenkachse parallel zu der Tangentialebene orientiert ist. Insbesondere kann die Schwenkachse parallel zu einer Verbindungslinie zwischen den dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelementen orientiert sein.
Gemäß einer anderen Formulierung sind der Andrückschuh und die unmittelbar davor und danach angeordneten Bandumlenkelemente in einer Dreiecks-Anordnung angeordnet und definieren eine mittig durch die Bandumlenkelemente und den Andrückschuh verlaufende Bandlaufebene. Die Schwenkachse verläuft ungefähr oder exakt parallel zu dieser Ebene. Vorzugsweise verläuft die Schwenkachse entlang einer Verbindungsgeraden, die zwischen den dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelementen verläuft.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.

1 zeigt eine isometrische Ansicht einer Finishmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 zeigt ein vergrößertes Detail der Finishmaschine der 1;
3 zeigt eine Draufsicht auf die Finishmaschine der 1;
4 zeigt eine isometrische Ansicht eines Finishkopfs zur Bearbeitung von Stirnflächen;
5 zeigt schematisch eine Bearbeitungsphase;
6 zeigt verschiedene aufeinander folgende Phasen einer Stirnseitenbearbeitung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer Finishmaschine 100 beschrieben, die dafür eingerichtet ist, an einem Werkstück sowohl mindestens eine um die Werkstückachse herum verlaufende Mantelfläche als auch wenigstens eine die Werkstückachse schneidende Stirnfläche in einer Aufspannung, d.h. ohne Umspannen des Werkstücks, finishend zu bearbeiten. Die Finishmaschine 100 ist eine speziell für die Finishbearbeitung ausgelegte, computernumerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, die bei Verwendung von geeigneten Finishwerkzeugen zum Finishen (Superfinishen) verwendet werden und entsprechend programmiert werden kann. Alle Antriebe des Antriebssystems und sonstige steuerbaren Einheiten sind an eine (nicht dargestellte) Steuereinrichtung angeschlossen, die ein funktionaler Bestandteil der Maschinensteuerung ist und über eine (nicht dargestellte) Bedienoberfläche einer Bedieneinrichtung bedient und für unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben programmiert werden kann. Die 1 bis 3 zeigen verschiedene Ansichten der Finishmaschine.
Das aus einem Metallwerkstoff hergestellte Werkstück 110 hat eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Gestalt und soll als Wälzkörper in einem Kegelrollenlager dienen. Das Werkstück hat eine in Bezug auf die Werkstückachse 112 rotationssymmetrische Gestalt mit einer kegelstumpfförmigen Mantelfläche bzw. Umfangsfläche 114, die um die Werkstückachse herum verläuft, sowie mit einer Stirnfläche 115 am breiteren Ende und einer gegenüberliegenden weiteren Stirnfläche 116 am schmaleren Ende des Werkstücks. Die Mantelfläche und die Stirnflächen gehen jeweils in einem relativ schmalen, umlaufenden Übergangsbereich 117 mit kleinem Krümmungsradius ineinander über.
Eine Besonderheit der Werkstückgeometrie besteht darin, dass die zu bearbeitende Stirnfläche 115 keine durchgehend senkrecht zur Werkstückachse orientierte ebene Fläche ist, sondern eine abschnittsweise konvex gewölbte Form hat. Konkret ist die Stirnfläche 115 in einem kreisrunden zentralen Bereich 118 eben und senkrecht zur Werkstückachse 112 orientiert. Zwischen diesem zentralen Bereich und dem außenliegenden Übergangsbereich 117 liegt ein ringförmiger Außenabschnitt 119 der Stirnfläche, der sich etwa über die Hälfte des Radius der Stirnfläche erstreckt und eine in Radialrichtung gewölbte bzw. ballige Kontur aufweist. Die Gestalt kann so beschrieben werden, dass ein Winkel zwischen der Werkstückachse und einer lokalen Oberflächennormale N der Stirnfläche im gewölbten Außenabschnitt kontinuierlich in radialer Richtung variiert. Dieser Winkel nimmt dort mit wachsendem Radialabstand zur Werkstückachse zu.
Diese Werkstückgeometrie hat sich für den vorgesehenen Verwendungszweck als vorteilhaft herausgestellt, da nicht nur zwischen der Mantelfläche 114 und den zugeordneten, kegeligen Lagerflächen des Innen- und Außenrings des Kugellagers, sondern auch zwischen dem Wälzkörper und den an den Lagerringen ausgebildeten, auch in Axialrichtung belasteten Anlaufbünden möglichst geringe Reibwerte vorliegen sollten. Daher soll auch die Stirnfläche mindestens in dem ringförmigen Außenabschnitt, der in Kontakt mit dem Anlaufbund kommt, finishend bearbeitet werden.
Die Finishmaschine 100 hat ein Maschinengestell 102, auf dessen obenliegender Grundplatte die in 1 bis 3 sichtbaren Komponenten der Finishmaschine montiert sind. Zur Vereinfachung der Beschreibung ist ein kartesisches Maschinenkoordinatensystem MKS gezeigt, bei dem im Beispielsfall die x-y-Ebene horizontal und die z-Ebene vertikal orientiert ist. Andere Orientierungen im Raum sind ebenfalls möglich. Bezogen auf die in x-Richtung orientierte Werkstückrotationsachse 125 wird die x-Richtung auch als Axialrichtung und die dazu senkrechten Richtungen als Radialrichtungen bezeichnet.
Das Werkstück 110 ist in einer Werkstückaufnahmeeinrichtung 120 zwischen einem Spindelstock 122 und einem gegenüberliegenden Reitstock 124 zwischen Zentrierspitzen aufgenommen und kann mithilfe eines in den Spindelstock 122 integrierten servomotorischen Rotationsantriebs in eine Rotation um eine parallel zur x-Richtung verlaufende horizontale Werkstückrotationsachse 125 versetzt werden, die bei korrekter Einspannung des Werkstücks mit der Werkstückachse 112 zusammenfällt. Eine Einspannung zwischen Spitzen ist hier möglich, da hier die Bearbeitungsaufgabe darin besteht, lediglich den an den Übergangsbereich 117 angrenzenden ringförmigen Außenabschnitt 119 der großen Stirnfläche 115 zu finishen. Soll eine komplette Stirnfläche finishend bearbeitet werden, kann auch eine Werkstückaufnahmeeinrichtung mit einem Spannfutter für eine einseitige Einspannung des Werkstücks vorgesehen sein.
Eine auf dem Maschinengestell montierte zweite Finisheinheit 130 ist zur Finishbearbeitung der Mantelfläche 114 vorgesehen und eingerichtet. Die zweite Finisheinheit 130 hat zwei Teileinheiten, die wahlweise und automatisiert in Eingriff mit der Mantelfläche gebracht werden können. Die in 1 an der werkstückabgewandten Seite angeordnete Teileinheit ist als Bandfinisheinheit ausgelegt und trägt ein Finishwerkzeug, das eine mit horizontaler Drehachse gelagerte Andrückrolle 139 umfasst, über die im Betrieb ein Finishband von oben nach unten oder umgekehrt geführt wird. An der werkstückzugewandten Seite ist eine zweite Teileinheit angeordnet, die ein Finishwerkzeug 132 mit einer in Vertikalrichtung schmalen Finishleiste 133 trägt, welche sich in Richtung 138 erstreckt. Damit ist eine effiziente zweistufige Finishbearbeitung der Mantelfläche möglich.
Die zweite Finisheinheit 130 ist auf einem Schlitten 134 montiert, der mithilfe eines Servoantriebs senkrecht zur Werkstückrotationsachse, d.h. in y-Richtung, numerisch gesteuert in Richtung Werkstück oder in Gegenrichtung verfahrbar ist. Der Schlitten trägt einen um eine vertikale Rotationsachse drehbaren Drehtisch 135, auf dem horizontale Führungsschienen 137 angebracht sind, die einen linear verfahrbaren weiteren Schlitten 136 tragen, auf dem die zweite Finisheinheit 130 montiert ist. Die zweite Finisheinheit 130 ist auf dem Drehtisch mithilfe eines Servoantriebs parallel zur Rotationsachse der Andrückrolle numerisch gesteuert verfahrbar. Mithilfe des Drehtischs 135 kann die Drehstellung der zweiten Finisheinheit um die z-Achse abhängig von der Werkstückgeometrie jeweils so eingestellt werden, dass die Führungsschienen 137 und damit die Drehachse 138 der Andrückrolle 133 oder die Richtung 138 der Finishleiste parallel zur Mantellinie des Werkstücks 110 gerichtet sind. Über eine 180°-Drehung des Drehtischs kann ein Wechsel zwischen den Teileinheiten vollzogen werden.
Eine pneumatische zweite Andrückeinrichtung erzeugt eine senkrecht zur Richtung 138 gerichtete Andrückkraft, so dass das Finishband (oder der Finishstein) jeweils in Normalenrichtung an die Mantelfläche angedrückt werden kann. Weiterhin ist ein zweiter Oszillationsantrieb vorgesehen, der eine Oszillation des zweiten Finishwerkzeugs in einer parallel zur Richtung 138 gerichteten Oszillationsrichtung erzeugt, so dass im Finishbetrieb die Oszillation parallel zur Mantellinie der Mantelfläche verläuft.
Eine auf dem Maschinengestell 102 montierte erste Finisheinheit 140 ist dafür konfiguriert, die dem Reitstock zugewandte größere Stirnfläche 115 des Werkstücks 110 zu bearbeiten. Die erste Finisheinheit 140 trägt an ihrer der Werkstückaufnahmeeinrichtung 120 zugewandten Seite ein erstes Finishwerkzeug, das hier auch als Stirnflächen-Finishwerkzeug bezeichnet wird und das einen auswechselbaren Finishkopf 200 aufweist, dessen Aufbau und Funktion im Zusammenhang mit 4 noch näher erläutert werden. Die erste Finisheinheit 140 ist auf einem Kreuztisch montiert und dadurch über Servoantriebe parallel und senkrecht zur Werkstückrotationsachse 125 numerisch gesteuert verfahrbar. Dabei dient ein erster Servoantrieb 141 zur Positionierung der ersten Finisheinheit parallel zur Werkstückrotationsachse (in x-Richtung) und ein zweiter Servoantrieb zur Positionierung senkrecht zur Werkstückrotationsachse (in y-Richtung). Der Schlitten 144 mit den Führungsschienen für die Bewegung parallel zur Werkstückrotationsachse trägt eine pneumatische Andrückeinheit 145 einer ersten Andrückeinrichtung zum Andrücken des ersten Finishwerkzeugs an die Stirnfläche 115 mit einer parallel zur Werkstückrotationsachse 125 gerichteten ersten Andrückkraft. Weiterhin ist ein erster Oszillationsantrieb 146 vorgesehen, der im Betrieb eine Oszillation (Doppelpfeil) des ersten Finishwerkzeugs in einer senkrecht zur Werkstückrotationsachse verlaufenden ersten Oszillationsrichtung erzeugen kann. Der erste Oszillationsantrieb 146 umfasst einen Servomotor, der einen Exzenter dreht, der mit einer linear geführten Platte 147 gekoppelt ist, die bei Drehung des Exzenters parallel zur y-Richtung oszilliert. Der Finishkopf 200 des ersten Finishwerkzeugs bzw. des Stirnflächen-Finishwerkzeugs ist an dieser Platte 147 befestigt, die somit als Finishkopf-Aufnahme dient.
Um bei Bedarf an einem Werkstück die gegenüberliegende Stirnfläche 116 ebenfalls finishend zu bearbeiten, ist eine dritte Finisheinheit 150 vorgesehen, deren Aufbau im Wesentlichen spiegelverkehrt zur ersten Finisheinheit ist. Damit ist es möglich, bei einem eingespannten Werkstück an beiden Stirnflächen die für eine Bearbeitung zugänglichen Bereiche zu finishen.
Die Finishmaschine 100 zeichnet sich durch eine besonders hohe Flexibilität bezüglich der damit bearbeitbaren Werkstückgeometrien aus. So können beispielsweise Werkstücke mit zylindrischer Mantelfläche in der dargestellten Orientierung der zweiten Finisheinheit gefinisht werden. Durch die Drehbarkeit um die z-Achse können konische Mantelflächen mit unterschiedlichen Konuswinkeln bearbeitet werden. Ballige Mantelflächen können mithilfe interpolierend gesteuerter Servoantriebe für die x-Verschiebung und die Verschiebung senkrecht zur Drehasche der Andrückrolle gefinisht werden.
Flexibilität ist insbesondere auch bezüglich der Bearbeitung der Stirnflächen vorhanden. Die Konstruktion ist dabei so ausgelegt, dass alternativ zu ebenen Stirnflächen, die vollständig (d.h. von der Werkstückachse bis zum Übergangsbereich) in einer Ebene senkrecht zur Werkstückachse liegen, auch in Radialrichtung konturierte Stirnflächen unterschiedlicher Gestalt ohne Modifikationen am Finishkopf 200 bearbeitet werden können.
Die erste Finisheinheit 140 ist als Bandfinisheinheit konstruiert, so dass der abrasive Teil des Finishwerkzeugs durch die mit Schneidkörnern belegte Vorderseite 211 eines Finishbands 210 gebildet wird. Das Finishband hat einen bandförmigen flexiblen Träger, bei dem mit Hilfe eines Bindemittels Schneidkörner auf der dem Werkstück zuzuwendenden Vorderseite 211 aufgebracht sind. Zum Andrücken des Finishbands an die Stirnfläche weist das Stirnflächen-Finishwerkzeug einen Finishkopf 200 auf, der in 4 im Detail gezeigt ist. Der Finishkopf 200 ist eine relativ einfach auswechselbare Werkzeugeinheit. Er hat ein nach Art einer Winkelkonsole aufgebautes Basisteil 220, welches aus einem Stück bestehen und aus einem Metallblock gefräst oder durch 3D-Druck hergestellt oder auf eine andere Weise, z.B. mehrteilig, aufgebaut sein kann. Das verwindungssteife Basisteil 220 ist winkelförmig und hat einen Montageabschnitt und einen in 90° dazu orientierten Andrückabschnitt. Der Finishkopf 200 wird über am Montageabschnitt ausgebildete Montagestrukturen 222 an der freien Stirnseite der oszillierend antreibbaren Platte 147 des ersten Oszillationsantriebs 146 befestigt. Diese dient als Finishkopf-Aufnahme der ersten Finisheinheit 140.
An der um 90° zu den Montagestrukturen des Montageabschnitts an dem Andrückabschnitt ausgerichteten Vorderseite 223 des Basisteils, die bei der Bearbeitung der zu bearbeitenden Stirnseite zugewandt ist, ist am Basisteil ein Andrückschuh 230 montiert, der an seiner dem Basisteil abgewandten Vorderseite eine im Wesentlichen rechteckige Kontaktfläche 232 aufweist, über die im eingerichteten Zustand das Finishband 210 geführt ist. Der Andrückschuh 230 bzw. seine Kontaktfläche 232 dient zum Andrücken von Finishband an die zu bearbeitende Stirnfläche.
Der Andrückschuh 230 ist über ein Schwenkgelenk 226 gelenkig mit dem Basisteil 220 gekoppelt in der Weise, dass der Andrückschuh einen einzigen Rotationsfreiheitsgrad besitzt. Die zugehörige Rotationsachse bzw. Schwenkachse 235 ist bei lagerichtig montiertem Finishkopf senkrecht zur Werkstückrotationsachse (x-Richtung) und zur Zustellrichtung der ersten Finisheinheit (y-Richtung) orientiert.
Das einachsige Schwenkgelenk 226 umfasst im Beispielsfall einen in z-Richtung verlaufenden Lagerstift, der in einer Ausnehmung an der Stirnseite 223 des Basisteils montiert ist. Auf dem Lagerstift ist ein starrer, z.B. metallischer Träger 233 begrenzt verschwenkbar gelagert. Der Träger trägt auf seiner dem Basisteil abgewandten Vorderseite ein sich zum Finishband leicht verjüngendes Andrückelement 240, welches im Beispielsfall aus einem elastisch komprimierbaren, relativ festen elastomeren Werkstoff besteht und an seiner dem Träger abgewandten Seite eine rechteckige, insbesondere fast quadratische Kontaktfläche 232 zum Finishband bietet. Das Andrückelement kann beispielsweise aus einem Elastomer-Werkstoff bestehen, z.B. solchen mit der Handelsbezeichnung Vullkolan^®, und bildet dadurch eine in begrenztem Maße elastisch nachgiebige Kontaktfläche, deren Form sich an ggf. nicht völlig ebene Werkstückoberflächen anpassen kann.
Die erste Finisheinheit 140 arbeitet mit einem Finishband 210, welches mithilfe von Bandführungselementen eines Bandführungssystems von einer Vorratsrolle mit frischem Finishband zu einer Aufnahmerolle mit verbrauchtem Finishband geführt wird. Der numerisch gesteuerte Bandtransport in Längsrichtung des Finishbandes kann schrittweise oder kontinuierlich erfolgen. Im Bereich des Finishkopfs 200 wird das Finishband über die Kontaktfläche 232 des Andrückelements 240 geführt. Am Finishkopf 200 sind einige Bandführungselemente des Bandführungssystems angeordnet. Zu den Bandführungselementen gehört eine oberhalb des Andrückschuhs 230 angeordnete obere Bandumlenkrolle 261 und eine unterhalb des Andrückschuhs angebrachte untere Bandumlenkrolle 262. Diese sind um zueinander parallele Rotationsachsen drehbar, die senkrecht zur Schwenkachse 235 des Andrückschuhs orientiert sind. Am Andrückschuh 230 selbst ist kein Bandumlenkelement angebracht.
Die dem Andrückschuh 230 im Bandlaufrichtung gesehen nächsten Bandumlenkelemente 261, 262 weisen zylindrisch gekrümmte Bandführungsflächen auf, deren Krümmungsmittelpunkte auf deren Rotationsachsen liegen. Die Bandführungsflächen definieren eine gemeinsame Tangentialebene, die bei montiertem Finishkopf parallel zur y-z-Ebene liegt. Die Schwenkachse 235 ist parallel zu der Tangentialebene und parallel zu einer Verbindungsgeraden orientiert, die Rotationsachsen der Bandführungsrollen bzw. die Krümmungsmittelpunkte der Bandführungsflächen verbindet. Die Kontaktfläche 332 des Andrückschuhs 230 befindet sich auf der dem Basisteil 220 abgewandten Seite mit Abstand vor dieser Tangentialebene, so dass das über die Kontaktfläche des Andrückschuhs gespannte Finishband 210 eine flache Dachform mit etwa quadratischer Firstfläche einnimmt. Der Andrückschuh 230 und diese beiden Bandumlenkelemente sind in einer Dreiecks-Anordnung angeordnet und definieren dadurch auch eine mittig durch die Bandumlenkelemente und den Andrückschuh verlaufende Bandlaufebene, die bei montiertem Finishkopf parallel zur x-z-Ebene liegt. Die Schwenkachse 235 verläuft ungefähr oder exakt parallel zu dieser Ebene entlang einer Verbindungsgeraden, die zwischen den dem Andrückschuh 230 nächsten Bandumlenkelementen 261, 262 verläuft.
Im Betrieb steht das Finishband unter leichter Zugspannung, was dazu führt, dass der Andrückschuh 230 in Abwesenheit eines Kontakts mit einem zu bearbeitenden Werkstück eine Nullstellung einnimmt, bei der die Kontaktfläche 232 parallel zur oben erwähnten Tangentialebene orientiert ist. Wird der Andrückschuh gegen eine schräg zur y-z-Ebene orientierte Werkstückfläche gedrückt, richtet sich der Andrückschuh 230 selbsttätig so aus, dass die Vorderseite des Finishbands im Wesentlichen in Normalenrichtung der Werkstückoberfläche auf diese gedrückt wird. Es stellt sich dabei ein entsprechender Schwenkwinkel gegenüber der Nullstellung ein. Wird der Andrückkontakt aufgehoben, so stellt sich das Andrückelement vermittelt über das unter Spannung stehende Finishband selbsttätig wieder in die Neutralstellung zurück. Bei Bedarf kann eine gesonderte federelastische Rückstelleinrichtung vorgesehen sein, die den Andrückschuh bei Abwesenheit auslenkender Kräfte in die Neutralstellung rückstellt.
Funktionell vorteilhaft ist unter anderem, dass die Schwenkachse 235 in unmittelbarer Nähe der Kontaktfläche 232 zum Finishband angeordnet ist. Der senkrecht zur Schwenkachse gemessene Abstand AB zur Kontaktfläche beträgt hier weniger als das Doppelte der in Breitenrichtung des Finishbands gemessenen Breite der Kontaktfläche 232. Der Abstand kann beispielsweise im Bereich zwischen 80 % und 150 % dieser Breite betragen. Der Abstand AB ist deutlich kleiner als der in der Bandlaufebene gemessene Abstand AU zwischen den Mitten bzw. den Drehachsen der drehbar gelagerten nächstliegenden Bandumlenkelemente 261, 262. Es kann z.B. wenigstens eine der folgenden die Bedingungen gelten: AB ≤ (0,5 * AU) oder 0,1 * AU < AB < 0,8 * AU. Dadurch kann erreicht werden, dass die senkrecht zur Werkstückoberfläche gerichtete Kraftkomponente der parallel zur x-Richtung eingeleiteten Andrückkraft jedenfalls im Bereich relativ kleiner Schwenkwinkel (zum Beispiel bis zu 20° oder 30°) bei Veränderung des Schrägstellungswinkels nur geringfügig variiert.
Weiterhin ist die bewegte Masse des Andrückschuhs 230 relativ klein und der Massenschwerpunkt liegt innerhalb des Andrückschuhs, insbesondere auf der Schwenkachse 235 oder in deren Nähe. Dadurch ergibt sich ein geringes Massenträgheitsmoment, so dass während der in y-Richtung orientierten zweiten Oszillationsbewegung beim Finishen gekrümmter Oberflächen schnelle Schwenkrichtungswechsel möglich sind. Diese Oszillationsrichtung radial zur Werkstückrotationsachse ist günstig zur Erzielung von Oberflächen mit Kreuzschliffmuster, die sich besonders als Lagerflächen eignen. Der Andrückschuh ist ein passives Element, welchen nicht mittels eine Aktors verschwenkt wird, sondern sich auch bei relativ hohen Oszillationsfrequenzen allein infolge der auf ihn wirkenden Kräfte optimal zur Werkstückoberfläche ausrichtet.
Die 5 und 6A bis 6D zeigen schematisch eine Variante eines Finishkopfs, bei der die dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelemente (nicht dargestellt) gemeinsam mit dem Andrückschuh schwenken, so dass das Finishband zwischen den Bandumlenkelementen und dem Andrückschuh beim Verschwenken nicht in sich verdrillt wird. Die Bandumlenkelemente können dazu z.B. in Lagerelementen gelagert sein, die an einem nicht dargestellten Basisteil um parallel zur Schwenkachse 235 verlaufende Schwenkachsen schwenkbar gelagert sind.
Eine Finishbearbeitung kann mithilfe der Finishmaschine 100 beispielsweise wie folgt durchgeführt werden. Das Werkstück 110, im Beispielsfall ein im Wesentlichen kegelstumpfförmiger Wälzkörper für ein Großlager einer Windkraftanlage, wird in die Werkstückaufnahmeeinrichtung 120 so eingespannt, dass die Werkstückachse 112 (Symmetrieachse des rotationssymmetrischen Werkstücks) koaxial zur Werkstückrotationsachse 125 (parallel zur x-Richtung) ausgerichtet ist. Beim Einrichten der Finishmaschine wird die zweite Finisheinheit 130 zunächst durch Drehung des Drehtisches so eingerichtet, dass die Rotationsachse der Andrückrolle parallel zur Mantellinie der konischen Mantelfläche 114 verläuft. Die erste Finisheinheit 130 befindet sich zunächst noch in der in 1 bis 3 gezeigten Ausgangsstellung mit radialem und axialem Abstand von der zu bearbeitenden Stirnfläche 115. Für die Finishbearbeitung wird das Werkstück dann mithilfe des Rotationsantriebs in Rotation versetzt, die Rotationsgeschwindigkeit kann beispielsweise im Bereich von 100 bis 500 min^-1 liegen.
Die Finishbearbeitung der Mantelfläche 114 wird mithilfe der ersten Finisheinheit 130 durchgeführt. Diese wird vor einer ersten Bearbeitungsstufe durch Verfahren des Drehtisches senkrecht zur Werkstückrotationsachse 125 bis zum Kontakt zwischen Werkstückoberfläche und Finishband zugestellt. Der Oszillationsantrieb erzeugt eine zur Drehachse der Andrückrolle parallele Oszillationsbewegung der Andrückrolle und des darüber geführten Finishbands. Für die Finishbearbeitung pendelt die erste Finisheinheit 130 parallel zur Mantellinie des Werkstücks hin und her. Die Amplitude dieser langsam pendelnden Bewegung ist vielfach größer als die Amplitude der deutlich höherfrequenten Oszillationsbewegung und ist so eingestellt ist, dass das erste Finishwerkzeug jeweils an den Enden über den schmalen konvex gekrümmten Übergangsbereich 117 teilweise hinaus verfährt, so dass die Mantelfläche bis zum Beginn des Übergangsbereichs gefinisht wird. Für eine zweite Bearbeitungsstufe wird die zweite Finisheinheit 130 dann in die dargestellte Drehstellung gedreht, so dass mit dem Finishstein eine Feinstbearbeitung durchgeführt werden kann.
Zur Bearbeitung der größeren Stirnfläche 115 wird die erste Finisheinheit durch numerisch kontrolliertes Verfahren parallel zur x-Richtung bzw. zur Werkstückrotationsachse 125 und senkrecht dazu (parallel zur y-Richtung) so zugestellt, dass der Arbeitsbereich des Finishkopfs 200, also der Bereich, an dem das Finishband auf dem Andrückelement des Andrückschuhs liegt, in Kontakt mit der Startposition der Finishbearbeitung am äußeren Rand des ebenen kreisförmigen Innenbereichs 118 der Stirnfläche 115 liegt (vgl. 6A). Mithilfe der pneumatischen Andrückeinrichtung 145 wird eine Andrückkraft aufgebracht, die im Bereich des inneren ebenen Bereichs der Stirnfläche 115 senkrecht zur Werkstückoberfläche (parallel zur x-Richtung) wirkt. Gleichzeitig ist der Oszillationsantrieb in Betrieb, so dass das Finishwerkzeug radial zur Werkstückrotationsachse parallel zur y-Richtung oszilliert. Dadurch ergibt sich an der Stirnfläche ein Kreuzschliff.
Dann wird die erste Finisheinheit 140 mithilfe des in Querrichtung (y-Richtung) wirkenden Servoantriebs langsam nach radial außen verfahren. Sobald das angedrückte Finishband den inneren Rand des gewölbten Außenbereichs 119 etwa mit der Hälfte seiner Breite überschritten hat, verschwenkt der Andrückschuh 230 selbsttätig unter der Einwirkung der Andrückkraft so, dass weiterhin in einer ungefähr quadratischen Eingriffszone ein flächiger Kontakt zwischen dem elastisch nachgiebig abgestützten Finishband 210 und Werkstückoberfläche erhalten bleibt (vgl. 6B).
Die für den Materialabtrag maßgebliche, senkrecht zur Werkstückoberfläche parallel zur lokalen Oberflächennormalen N wirkende Komponente der Andrückkraft wird bei dieser Verschwenkung geringfügig reduziert. Sie nimmt mit zunehmendem Schwenkwinkel, d.h. bei allmählicher Bewegung des Eingriffsbereichs nach radial außen, geringfügig ab. Vorteilhafterweise sind die Hebelverhältnisse jedoch aufgrund des geringen Abstands AB zwischen Schwenkachse 235 und Kontaktfläche 232 bzw. Eingriffszone so günstig, dass die Variation der effektiven Andrückkraft bei den hier betrachteten relativ kleinen Schwenkwinkeln gering bleibt.
Wenn bei fortschreitender Zustellung der ersten Finisheinheit in Querrichtung bei der Vergrößerung des Abstands zur Werkstückrotationsachse (vgl. 6C) der Übergangsbereich 117 erreicht ist, bleibt die abrasive Vorderseite 211 des Finishbands weiterhin mit Flächenkontakt ausreichend stark an die Werkstückoberfläche angedrückt und der Schwenkwinkel des Andrückschuhs steigt nun stärker (6D), Somit kann auch der Übergangsbereich 117 mithilfe des ersten Finishwerkzeugs in der Endphase der Auswärtsbewegung des zweiten Finishwerkzeugs gefinisht werden.
Es ist erkennbar, dass aufgrund der Schwenkbarkeit des Andrückschuhs 230 im Finishkopf 200 das Finishwerkzeug der Krümmung der Oberfläche zu jeder Zeit unter der Einwirkung der Andrückkraft folgt.
Bei der radialen Auswärtsbewegung der Eingriffszone ergeben sich zwei den Materialabtrag beeinflussende Effekte. Zum einen ist bei konstanter Werkstückdrehzahl die Relativgeschwindigkeit zwischen dem sich drehenden Werkstück und dem Finishwerkzeug in der Nähe der Rotationsachse geringer als am radial äußeren Randbereich. Isoliert betrachtet führt dies bei größer werdendem Radialabstand zu einer Vergrößerung der Abtragleistung.
Gleichzeitig nimmt die für den Materialabtrag wirksame Normalkomponente der Andrückkraft bei der gezeigten Stirnflächengeometrie mit zunehmendem Abstand von der Rotationsachse nach außen ab. Isoliert betrachtet führt dies zu einer Verringerung der Abtragleistung. Die Effekte kompensieren sich somit wenigstens teilweise, so dass ein relativ gleichmäßiger Materialabtrag erzielt werden kann.
Sofern ein noch gleichmäßiger Materialabtrag gewünscht ist, kann er mithilfe der Steuerung erreicht werden, indem z.B. die von der pneumatischen Andrückeinrichtung 145 bereitgestellte Andrückkraft in Abhängigkeit von Radialpositionen der Eingriffszone zwischen Finishwerkzeug und Werkstückoberfläche variiert wird, z.B. so, dass sie tendenziell mit Vergrößerung des radialen Abstands zur Werkstückrotationsachse zunimmt. Auch eine Variation der Werkstückdrehzahl ist möglich, ggf. mit Anpassung der Oszillationsfrequenz.
Die Finishmaschine 100 ist so aufgebaut, dass die Eingriffsbereiche der zweiten Finisheinheit 130 und der ersten Finisheinheit 140 räumlich voneinander so separiert sind, dass beide gleichzeitig arbeiten können. Somit ist eine hocheffiziente Finishbearbeitung des Werkstücks möglich, indem die Mantelfläche 114 und die Stirnfläche 115 wenigstens phasenweise gleichzeitig finishend bearbeitet werden.
Mithilfe der Finishmaschine können Werkstücke mit deutlich unterschiedlichen Werkstückgeometrien finishend bearbeitet werden, ohne dass ein Werkzeugwechsel nötig ist. So können beispielsweise auch Werkstücke mit zylindrischen Mantelflächen bearbeitet werden. Dazu muss lediglich die erste Finisheinheit 130 so gedreht werden, dass die lineare Verfahrachse der Finisheinheit parallel zur Werkstückrotationsachse verläuft. Auch ballige Mantelflächen können bearbeitet werden. Dazu wird eine interpolierende Ansteuerung der Antriebe für den Verfahrantrieb und den Drehantrieb genutzt. Aufgrund der besonderen Konstruktion des Finishkopfs 200 können unterschiedliche Stirnflächengeometrien ohne Wechsel des Finishkopfs bearbeitet werden. Unter anderem können auch ebene Stirnflächen bearbeitet werden. Dort bleibt dann die Schwenkstellung des Andrückschuhs in Radialrichtung konstant. Es können auch unterschiedliche Werkstücktypen gefinisht werden, insbesondere nicht nur Wälzkörper unterschiedlicher Geometrien, sondern z.B. auch Ritzelwellen, die im Prinzip eine Welle mit integriertem Zahnrad bzw. Ritzel sind. Dabei kann angrenzend an wenigstens einen im Wesentlichen zylindrischen Wellenabschnitt ein Ritzelabschnitt oder ein Zahnradabschnitt liegen, dessen Seitenflächen bzw. Stirnflächen gefinisht werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102020134461 A1 [0005]
US 3021648 [0006]

Claims

Finishverfahren zur Finishbearbeitung eines Werkstücks, das eine um eine Werkstückachse herum verlaufende Mantelfläche und wenigstens eine finishend zu bearbeitende Stirnfläche aufweist, wobei das Werkstück zur Durchführung einer Finishbearbeitung um die Werkstückachse rotiert wird; die Stirnfläche mittels eines ersten Finishwerkzeugs bearbeitet wird, welches an die Stirnfläche angedrückt und in eine quer zur Werkstückachse verlaufende erste Oszillationsbewegung versetzt wird; dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück bearbeitet wird, bei dem die Mantelfläche und die Stirnfläche in einem Übergangsbereich ineinander übergehen und die Stirnfläche wenigstens in einem an den Übergangsbereich angrenzenden, ringförmigen Außenabschnitt eine in Radialrichtung gewölbte Kontur aufweist derart, dass ein Winkel zwischen der Werkstückachse und einer lokalen Oberflächennormale der Stirnfläche in radialer Richtung variiert; und ein erstes Finishwerkzeug verwendet wird, das einen Andrückschuh aufweist, der ein Finishband an die Stirnfläche andrückt, wobei der Andrückschuh um eine Schwenkachse schwenkbeweglich ist und bei Änderung einer radialen Position einer Eingriffszone zwischen Finishband und Stirnfläche der gewölbten Kontur der Stirnfläche unter Veränderung der Schwenklage folgt.
Finishverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Finishwerkzeug mit einem Finishkopf verwendet wird, der mit einem Basisteil an einer ersten Finisheinheit befestigt ist und den Andrückschuh trägt, der das Finishband an die Stirnfläche andrückt, wobei der Andrückschuh gegenüber dem Basisteil um eine Schwenkachse schwenkbeweglich ist und bei Änderung der radialen Position einer Eingriffszone zwischen Finishband und Stirnfläche der gewölbten Kontur der Stirnfläche unter Veränderung der Schwenklage folgt.
Finishverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche mittels eines zweiten Finishwerkzeugs bearbeitet wird, welches an die Mantelfläche angedrückt und in eine parallel zu einer Mantellinie der Mantelfläche verlaufende zweite Oszillationsbewegung versetzt wird, wobei vorzugsweise die Mantelfläche und die Stirnfläche wenigstens über eine Phase einer Gesamt-Bearbeitungszeit gleichzeitig finishend bearbeitet werden.
Finishverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Andrückschuh eine zweidimensional ausgedehnte, elastisch nachgiebige Kontaktfläche zum Kontakt mit der Rückseite des Finishbands aufweist und das Finishband flächig an die Stirnfläche andrückt, wobei auch bei einer gewölbten Kontur der zu bearbeitenden Stirnfläche zwischen Finishband und Stirnfläche eine zweidimensional ausgedehnte Eingriffszone entsteht.
Finishverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Andrückkraft und/oder eine anteilige Bearbeitungsdauer des ersten Finishwerkzeugs und/oder eine Drehzahl einer Werkstückrotation in Abhängigkeit vom radialen Abstand zur Werkstückrotationsachse variiert wird, um Änderungen der Eingriffsbedingungen in einer Eingriffszone zwischen Finishband und Stirnfläche wenigstens teilweise zu kompensieren.
Finishmaschine (100) zur Finishbearbeitung eines Werkstücks (110), das eine Werkstückachse (112), eine um die Werkstückachse herum verlaufende Mantelfläche (114) und wenigstens eine finishend zu bearbeitende Stirnfläche (115) aufweist, umfassend: eine Werkstückaufnahmeeinrichtung (120) zur Aufnahme des Werkstücks und einen Rotationsantrieb zur Erzeugung einer Rotation des aufgenommenen Werkstücks um eine Werkstückrotationsachse (125); eine erste Finisheinheit (140) zur Aufnahme eines ersten Finishwerkzeugs zur Bearbeitung der Stirnfläche (115), wobei die erste Finisheinheit eine erste Andrückeinrichtung (145) zum Andrücken des Finishwerkzeugs an die Stirnfläche sowie einen ersten Oszillationsantrieb (146) zur Erzeugung einer Oszillation des ersten Finishwerkzeugs in einer quer zur Werkstückrotationsachse (125) verlaufenden ersten Oszillationsrichtung aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Finishwerkzeug einen Finishkopf (200) aufweist, der ein Basisteil (220) zum Befestigen des Finishkopfs an einer Finishkopf-Aufnahme der ersten Finisheinheit, einen Andrückschuh (230) zum Andrücken von Finishband (210) an die Stirnfläche (115) sowie zwischen dem Basisabschnitt und dem Andrückschuh ein integriertes Schwenkgelenk (226) aufweist, das derart ausgebildet ist, dass der Andrückschuh (230) gegenüber dem Basisteil (220) um eine Schwenkachse (235) schwenkbeweglich ist und bei Änderung der radialen Position eines Eingriffsbereichs zwischen Finishband (210) und Stirnfläche der gewölbten Kontur der Stirnfläche unter Veränderung der Schwenklage folgen kann.
Finishmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Andrückschuh (230) eine zweidimensional ausgedehnte, elastisch nachgiebige Kontaktfläche (232) zum Kontakt mit der Rückseite des Finishbands (210) aufweist.
Finishmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Andrückschuh (230) einen starren Träger (232) und ein davon getragenes Andrückelement (240) aus einem elastisch nachgiebigen Material aufweist, das eine zweidimensional ausgedehnte elastisch nachgiebige Kontaktfläche (232) zum Kontakt mit einer Rückseite des Finishbands (210) bildet.
Finishmaschine nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Finishkopf (200) Bandumlenkelemente eines Bandführungssystems aufweist, wobei die dem Andrückschuh (230) nächsten Bandumlenkelemente (261, 262) an dem Basisteil (220) angebracht sind.
Finishmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schwenkachse (235) und einer zum Kontakt mit der Rückseite des Finishbands ausgebildeten Kontaktfläche (232) des Andrückschuhs (230) ein Abstand (AB) besteht, für den wenigstens eine der folgenden Bedingungen gilt: (i) Der Abstand (AB) ist maximal doppelt so groß wie eine maximale wirksame Breite der Kontaktfläche (232); (ii) Der Abstand (AB) ist kleiner als ein in einer Bandlaufebene gemessene Abstand (AU) zwischen Krümmungsmittelpunkten der dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelemente (261, 262).
Finishmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Andrückschuh (230) einen Massenschwerpunkt aufweist, der innerhalb des Andrückschuhs, insbesondere auf der Schwenkachse (235) oder in deren Nähe liegt und/oder dass der Andrückschuh und die dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelemente (261, 262) in einer Dreiecks-Anordnung angeordnet sind und eine mittig durch die Bandumlenkelemente und den Andrückschuh verlaufende Bandlaufebene definieren, wobei die Schwenkachse (235) im Wesentlichen parallel zu dieser Ebene verläuft, insbesondere entlang einer Verbindungsgeraden, die zwischen den dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelementen verläuft.
Finishmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch eine zweite Finisheinheit (130) zur Aufnahme eines zweiten Finishwerkzeugs zur Bearbeitung der Mantelfläche (114), wobei die zweite Finisheinheit eine zweite Andrückeinrichtung zum Andrücken des zweiten Finishwerkzeugs an die Mantelfläche (114) sowie einen zweiten Oszillationsantrieb zur Erzeugung einer Oszillation des zweiten Finishwerkzeugs in einer parallel zu einer Mantellinie der Mantelfläche (114) verlaufenden zweiten Oszillationsrichtung aufweist.
Finishmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch eine dritte Finisheinheit (140) zur Aufnahme eines dritten Finishwerkzeugs zur Bearbeitung einer der der Stirnfläche (115) gegenüberliegenden weiteren Stirnfläche (116), wobei die dritte Finisheinheit eine dritte Andrückeinrichtung zum Andrücken des dritten Finishwerkzeugs an die weitere Stirnfläche sowie einen dritten Oszillationsantrieb zur Erzeugung einer Oszillation des dritten Finishwerkzeugs in einer quer zur Werkstückrotationsachse (125) verlaufenden dritten Oszillationsrichtung aufweist, wobei vorzugsweise die erste und die dritte Finisheinheit unabhängig voneinander steuerbar und/oder wenigstens phasenweise gleichzeitig betreibbar sind.
Finishmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Finishmaschine zur Durchführung des Finishverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 konfiguriert ist.
Finishkopf (200) zur Verwendung beim Finishen einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks unter Verwendung eines an die Werkstückoberfläche andrückbaren Finishbands (210) umfassend: ein Basisteil (220), das Montagestrukturen (222) zum Befestigen des Finishkopfs (200) an einer Finishkopf-Aufnahme einer Finisheinheit sowie Bandumlenkelemente (261, 262) eines Bandführungssystems zum Führen des Finishbands (210) aufweist; einen von dem Basisteil (220) getragenen Andrückschuh (230) mit einer zum Kontakt mit einer Rückseite des Finishbands vorgesehenen Kontaktfläche (232) zum Andrücken des Finishband an die zu bearbeitende Werkstückoberfläche, ein integriertes Schwenkgelenk (226), das zwischen dem Basisteil und dem Andrückschuh angeordnet und derart ausgebildet ist, dass der Andrückschuh gegenüber dem Basisteil um eine Schwenkachse schwenkbeweglich ist, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale (i) die dem Andrückschuh (230) nächsten Bandumlenkelemente (261, 262) sind an dem Basiselement (232) angebracht; (ii) zwischen der Schwenkachse (235) und einer zum Kontakt mit der Rückseite des Finishbands ausgebildeten Kontaktfläche (232) des Andrückschuhs (230) besteht ein Abstand (AB), wobei der Abstand (AB) maximal doppelt so groß wie eine maximale wirksame Breite der Kontaktfläche (232) ist und/oder der Abstand (AB) kleiner ist als ein in einer Bandlaufebene gemessener Abstand (AU) zwischen Krümmungsmittelpunkten der dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelemente (261, 262). (iii) der Andrückschuh (230) weist einen Massenschwerpunkt auf, der innerhalb des Andrückschuhs, insbesondere auf der Schwenkachse (235) oder in deren Nähe liegt; (iv) der Andrückschuh und die dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelemente (261, 262) sind in einer Dreiecks-Anordnung angeordnet und definieren eine mittig durch die Bandumlenkelemente und den Andrückschuh verlaufende Bandlaufebene, wobei die Schwenkachse im Wesentlichen parallel zu dieser Ebene verläuft, insbesondere entlang einer Verbindungsgeraden, die zwischen den dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelementen verläuft; (v) die dem Andrückschuh nächsten Bandumlenkelemente (261, 262) weisen konvex gekrümmte Bandführungsflächen auf, die eine gemeinsame Tangentialebene definieren, wobei die Schwenkachse parallel der Tangentialebene orientiert ist.
Finishkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Andrückschuh (230) eine zweidimensional ausgedehnte, elastisch nachgiebige Kontaktfläche (232) zum Kontakt mit der Rückseite des Finishbands (210) aufweist, wobei vorzugsweise der Andrückschuh (230) einen starren Träger (232) und ein davon getragenes Andrückelement (240) aus einem elastisch nachgiebigen Material aufweist, das eine zweidimensional ausgedehnte elastisch nachgiebige Kontaktfläche (232) zum Kontakt mit einer Rückseite des Finishbands (210) bildet.