DE3737641C2

DE3737641C2 -

Info

Publication number: DE3737641C2
Application number: DE3737641A
Authority: DE
Inventors: Horst Josef Dr.-Ing. 7064 Remshalden De Wedeniwski
Original assignee: Fortuna-Werke Maschinenfabrik 7000 Stuttgart De GmbH
Current assignee: Fortuna-Werke Maschinenfabrik 7000 Stuttgart De GmbH
Priority date: 1987-10-19
Filing date: 1987-11-06
Publication date: 1989-12-28
Also published as: EP0312830A1; JPH07121502B2; JPH01127260A; DE3737641A1; EP0312830B1; US4942695A; DE3865287D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Außenrundschleifen von Werkstücken mit einem Werkstück-Durchmesser (d _w), bei dem eine Schleifscheibe mit einer Schleifscheiben-Umfangsgeschwindigkeit (V _s) an dem sich gegenläufig mit einer Werkstück-Umfangsgeschwindigkeit (V _w) drehenden Werkstück anliegt und die Schleifscheibe und das Werkstück mit einer Vorschubgeschwindigkeit (V _fa) parallel zur Achse des Werkstücks relativ zueinander zugestellt werden, wobei die Schleifscheibe sich um eine Achse dreht, die unter einem Winkel zur Achse des Werkstücks angestellt ist und die Schleifscheibe einen ersten und einen zweiten konischen Umfangsabschnitt aufweist, derart, daß der erste Umfangsabschnitt mit einer ersten Oberfläche an einer helikoidalen Zerspanungsfläche des Werkstücks anliegt.

In der DE-PS 34 35 313 ist eine Vorrichtung beschrieben, mit der das vorstehend beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann.

Bei der bekannten Vorrichtung liegt die Schleifscheibe mit dem ersten konischen Umfangsabschnitt an einer das Aufmaß des Werkstückes darstellenden helikoidalen Umfangsfläche des Werkstückes an, die zur Werkstückachse geneigt verläuft. Der zweite konische Umfangsabschnitt der Schleifscheibe ist so angestellt, daß er zur fertig bearbeiteten Oberfläche des Werksstückes einen Freiwinkel einschließt, d. h. diese nicht berührt.

Bei der bekannten Vorrichtung soll mit dieser Konfiguration erreicht werden, daß die Schleifscheibe an der fertig bearbeiteten Oberfläche des Werkstückes nur noch punktförmig anliegt. Hierzu können die Schleifscheibenachse und die Werkstückachse parallel oder zueinander geneigt, jedoch in einer gemeinsamen Ebene, verlaufen, sofern nur der Winkel zwischen den beiden konischen Umfangsabschnitten so eingestellt wird, daß der Freiwinkel zur bearbeiteten Oberfläche des Werkstückes vorliegt. Auch kann das gewünschte Ziel bei der bekannten Vorrichtung erreicht werden, wenn die Schleifscheibe und das Werkstück so zueinander ausgerichtet werden, daß die Achsen windschief zueinander verlaufen, d. h. nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen.

Es liegt auf der Hand, daß bei der bekannten Vorrichtung die Vorschubgeschwindigkeit zwischen Schleifscheibe und Werkstück nur sehr gering eingestellt werden kann, weil ansonsten die nur punktförmig an der bearbeiteten Oberfläche des Werkstückes anliegende Schleifscheibe eine spiralige Rille an dieser Oberfläche erzeugen würde.

Aus einem Prospekt "das HSG-Programm" der Firma Gühring vom September 1987 ist ein Schälschleifverfahren bekannt, bei dem eine Schleifscheibe verwendet wird, die einen konischen Umfangsabschnitt und einen daran angrenzenden schmalen zylindrischen Umfangsabschnitt aufweist. Die Schleifscheibe ist mit ihrer Achse parallel zur Werkstückachse ausgerichtet.

Auf diese Weise bildet sich eine konische helikoidale Umfangsfläche im Schleifbereich, wobei die Schnittfläche zwischen Schleifscheibe und Werkstück im wesentlichen axial verläuft. Aufgrund dieser im wesentlichen axialen Ausrichtung der Schnittfläche muß die Schleifscheibe in einer im wesentlichen radialen Richtung an das Werkstück angepreßt werden. Dies wiederum hat zur Folge, daß vor allem bei dünnen und langen Werkstücken eine elastische Verformung des Werkstückes eintreten kann, die wiederum zu Formfehlern führt.

In dem genannten Prospekt ist angegeben, daß das HSG-Verfahren Schnittgeschwindigkeiten im Bereich zwischen 60 und 250 m/s bei voller Zustellung (bis 30 mm) erreichen soll, so daß bezogene Zeitspanvolumina in der Größenordnung von über 500 mm³/mm s erreicht werden.

Aus der DD-Z "Fertigungstechnik und Betrieb", Band 23, 1973, Seite 166 bis 167 ist es bekannt, daß Schleifscheiben der zuvor genannten Art mit ihrem zylindrischen Umfangsabschnitt eine gute Oberflächenqualität des bearbeiteten Werkstücks erzielen können.

In der DE-Z "Werkstatt und Betrieb" Band 120, 1987, Seiten 303 bis 307 sind weitere Einzelheiten zum HSG-Verfahren des weiter vorne erläuterten Prospektes beschrieben.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei hohen Zerspanungsleistungen eine gleichmäßige fein bearbeitete Oberfläche ohne Oberflächenspiralen mit vorgegebener Oberflächengüte entsteht, wobei ferner elastische Durchbiegungen der Werkstücke und damit Formfehler vermieden werden sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

- die konischen Umfangsabschnitte derart eingestellt werden, daß sie am Umfang der Schleifscheibe lotrecht aufeinanderstehen;
- der Winkel derart eingestellt wird, daß der zweite konische Umfangsabschnitt der Schleifscheibe mit einer zweiten Oberfläche an einer axialen Umfangsfläche des Werkstücks anliegt;
- aus einer vorgegebenen Oberflächenrauhigkeit des Werkstücks ein Überdeckungsgrad der Schleifscheibe bestimmt und alsdann die axiale Länge der ersten Oberfläche nach der Beziehung: eingestellt wird, wobei (q) der Quotient (v _s/v_w) der Umfangsgeschwindigkeiten von Schleifscheibe und Werkstück ist;
- die folgenden Wertbereiche eingestellt werden: d _w = 5 bis 250 mm
v _s = 100 bis 300 m/s
v _w = 65 bis 200 m/min
v _fa = 150 bis 2000 mm/min.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. In dem angestrebten Wertebereich mit den extrem hohen Umfangsgeschwindigkeiten und Vorschubgeschwindigkeiten können Zerspanungsleistungen erzielt werden, die den Zerspanungsleistungen klassischer spanabhebender Bearbeitungsverfahren mit definierter Schneidenoberfläche (Drehen, Fräsen) ebenbürtig sind. Dabei ergeben sich jedoch die Vorteile des Bearbeitungsverfahrens mit nicht-definierter Schneidenoberfläche (Schleifen), weil nämlich beim Schleifen lediglich sehr kleine kornartige Schleifspäne anfallen. Bei den anderen spanabhebenden Bearbeitungsverfahren mit definierter Schneidenoberfläche, insbesondere beim Drehen, fallen im Gegensatz dazu verhältnismäßig große und lange Späne an, die sich beim Drehen als sogenannte Wickelspäne bemerkbar machen können und nach dem heutigen Entwicklungsstand eine automatisierte Fertigung mit Drehbearbeitung verhindern. Selbst bei modernen Drehmaschinen muß nämlich eine Überwachungsperson bereitstehen, um im Falle des Auftretens von Wickelspänen mittels eines Hakens das Werkstück von den Wickelspänen zu befreien.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit ein Stirnumfangs- Schleifverfahren mit Längsvorschub, mit Zerspanung durch geometrisch unbestimmte Schneiden. Das Bearbeitungsaufmaß weist eine große Schnittiefe auf, die etwa 100- bis 1000mal größer ist als beim herkömmlichen Längsschleifen. Eine Hauptschneidenfläche wirkt als Stirnseite des Schleifkörpers, wobei die axiale Zustellung etwa 10- bis 100mal größer ist als beim herkömmlichen Längsschleifen. Beim Umfangsschliff wird durch eine Nebenschneidenfläche eine Glättwirkung erzielt, wobei die axiale Länge der Nebenschneidenfläche durch Qualifizierung der technologischen Wirkmechanismen bestimmt wird.

Da dies beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich ist, eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren völlig neue Perspektiven für automatisierte Fertigungen in Bereichen, die bislang eine Domäne der Dreh- und Fräsbearbeitung waren.

Von besonderem Vorteil ist dabei, daß in dem genannten Wertebereich die gewünschte Oberflächenrauhigkeit in einem weiten Bereich vorgegeben werden kann. Aus der gewünschten Oberflächenrauhigkeit wird nämlich mit Hilfe empirisch gewonnener Beziehungen als Hilfsgröße ein Überdeckungsgrad ermittelt, der seinerseits über die Geometrie und die Betriebsparameter von Werkstück und Schleifscheibe die axiale Länge der zweiten Oberfläche zu ermitteln gestattet. Diese Länge kann dann durch geeignete Wahl der Schleifscheibe eingestellt werden, so daß für die jeweils gewünschte Oberflächenrauhigkeit nur minimale radiale Druckkräfte, die der axialen Länge der zweiten Oberfläche entsprechen, aufgewendet werden müssen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht von oben, stark schematisiert, zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine Kurvenschar zur Erläuterung der empirischen Abhängigkeit des Überdeckungsgrades (u) von der Oberflächenrauhigkeit (R _z) und der Schleifscheiben umfangsgeschwindigkeit (v _s).

In Fig. 1 bezeichnet 10 ein rotationssymmetrisches Werkstück, das eine Längsachse 11 aufweist. Ein erster Abschnitt 12 des Werkstücks 10 weist eine erste Umfangsfläche 13 mit einem Rohmaß auf. Ein zweiter Abschnitt 14 des Werkstücks 10 ist bereits bearbeitet, und seine zweite Umfangsfläche 15 weist das gewünschte Endmaß auf.

Zwischen den Abschnitten 12 und 13 befindet sich eine helikoidale Zerspanungsfläche 16, wobei das Aufmaß mit a bezeichnet ist.

Das Werkstück 10, das einen Durchmesser (dw) aufweist, ist um die Achse 11 in Richtung eines ersten Pfeils 17 (Z-Achse) drehbar, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Drehzahl eingestellt wird, die einer Umfangsgeschwindigkeit von 65 bis 200 m/s bei Werkzeugdurchmessern (dw) von 5 bis 250 mm entspricht.

Das Werkstück 10 ist relativ zu einer Schleifscheibe 30 verfahrbar. Vorzugsweise wird das Werkstück 10 axial in Richtung eines zweiten Pfeils 35 verfahren. Die Vorschubgeschwindigkeit v _fa des Werkstücks 10 beträgt dabei etwa 150 bis 2000 mm/min. Das üblicherweise verwendete Koordinatensystem X-Y-Z ist ebenfalls in Fig. 1 eingetragen.

Die Schleifscheibe 30 weist eine Achse 31 auf, die unter einem Winkel 32 in der Größenordnung von 30° (vorzugsweise 26°34′) zur Achse 11 des Werkstücks 10 angestellt ist. Die Schleifscheibe 30 sitzt auf einer antreibbaren Welle 33, die sich in Richtung eines dritten Pfeils 34 um die Achse 31 dreht.

Bei einem Schleifscheibendurchmesser in der Größenordnung von 600 mm wird die Drehzahl der Schleifscheibe 30 so eingestellt, daß ihre Umfangsgeschwindigkeit (v _s) im Bereich von 100 bis 300 m/s liegt.

Die Schleifscheibe 30 weist, von ihren radialen Stirnflächen ausgehend, als Hauptschneidenfläche einen ersten konischen Ab schnitt 40, als Nebenschneidenfläche einen zweiten konischen Abschnitt 41 und einen dritten konischen Abschnitt 42 auf.

Der erste und der zweite konische Abschnitt 40, 41 schließen zueinander einen Winkel von 90° ein, während der dritte konische Abschnitt 42 geringfügig flacher als der zweite konische Abschnitt 41 verläuft.

Wie aus Fig. 1 deutlich erkennbar ist, liegt die Schleifscheibe 30 derart am Werkstück 10 an, daß der erste konische Abschnitt 40 (Hauptschneidenfläche) mit einer ersten Oberfläche 44 an der helikoidalen Zerspanungsfläche 16 und der zweite konische Abschnitt 41 mit einer zweiten Oberfläche 45 an der zweiten, bearbeiteten Umfangsfläche 15 des Werkstücks 10 anliegt. Infolge des flacheren Verlaufs des dritten konischen Abschnitts 42 weist dessen dritte Oberfläche 46 zur zweiten, bearbeiteten Umfangsfläche 15 einen Freiwinkel 47 auf.

Die Anordnung ist so gewählt, daß der zweite konische Abschnitt 41 (Nebenschneidenfläche) mit seiner zweiten Oberfläche 45 über eine axiale Länge (l _N) an der zweiten, bearbeiteten Umfangsfläche 15 des Werkstücks 10 anliegt.

Man kann nun einen Überdeckungsgrad (u) definieren, der dem Quotienten der axialen Länge (l _N) der zweiten Oberfläche 45 zum Vorschub in Richtung des dritten Pfeils 35 entspricht, wobei dieser Vorschub seinerseits gleich dem Quotienten der Vorschubgeschwindigkeit (v _fa) und der Drehzahl des Werkstücks ist.

Dieser Überdeckungsgrad (u) ist ein direktes Maß für die erzielbare Oberflächenrauhigkeit (Rz), wenn man die Umfangsgeschwindigkeit (v _s) der Schleifscheibe 30 mit in die Überlegung einbezieht. Die Abhängigkeit des Überdeckungsgrades (u) von der Oberflächenrauhigkeit (R _z) läßt sich, unter Parametrierung nach der Umfangsgeschwindigkeit (v _s) der Schleifscheibe 30 in einer Kurvenschar darstellen, wie sie für einen bestimmten Werkstoff beispielhaft und äußerst schematisiert in Fig. 2 dargestellt ist. Man erkennt aus Fig. 2 deutlich, daß die Oberflächenrauhigkeit (R _z) um so besser, d. h. geringer wird, je größer der Überdeckungsgrad (u) und je höher die Umfangsgeschwindigkeit (v _s) der Schleifscheibe 30 ist.

Wird nun eine bestimmte Oberflächenqualität eines Werkstücks gewünscht, kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der gewünschten Rauhigkeit (R _z) der zugehörige Überdeckungsgrad (u) unter Berücksichtigung der Umfangsgeschwindigkeit (v _s) der Schleifscheibe 30 ermittelt werden. Dieser sich ergebende Überdeckungsgrad (u) wird nun in die folgende Formel:

eingesetzt. Es ergibt sich dann die axiale Länge (l _N), die gerade noch erforderlich ist, um bei den jeweils vorliegenden Betriebsparametern, nämlich den Umfangsgeschwindigkeiten (v _s, v _w) von Schleifscheibe 30 und Werkstück 10, dem Werkstück durchmesser (d _w) und der Vorschubgeschwindigkeit (v _fa) die gewünschte Oberflächenrauhigkeit (R _z) zu erzeugen, wobei zu der o. g. Formel zu berücksichtigen ist, daß die dort genannte Hilfsgröße (q) dem Quotienten (v _s/v _w) der Umfangsgeschwindigkeit von Schleifscheibe 30 und Werkstück 10 entspricht.

Es versteht sich, daß das vorstehend erläuterte Verfahren nur als Beispiel für den Fall zu verstehen ist, daß bei vorgegebener Oberflächenrauhigkeit (R _z) die axiale Länge (l _N) der zweiten Oberfläche 45 bestimmt und eingestellt werden kann. Selbstverständlich kann aber nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine andere Kombination von Verfahrensparametern vorgegeben bzw. eingestellt werden, wobei zur wechselseitigen Bestimmung der Verfahrensparameter die oben erläuterten empirischen Abhängigkeiten und Gleichungen verwendet werden, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Claims

Verfahren zum Außenrundschleifen von Werkstücken (10) mit einem Werkstückdurchmesser (d _w), bei dem eine Schleifscheibe (30) mit einer Schleifscheiben-Umfangsgeschwindigkeit (v _s) an dem sich gegenläufig mit einer Werkstück-Umfangsgeschwindigkeit (v _w) drehenden Werkstück (10) anliegt und die Schleifscheibe (30) und das Werkstück (10) mit einer Vorschubgeschwindigkeit (v _fa) parallel zur Achse (11) des Werkstücks (10) relativ zueinander zugestellt werden, wobei die Schleifscheibe (30) sich um eine Achse (31) dreht, die unter einem Winkel (32) zur Achse (11) des Werkstücks (10) angestellt ist und die Schleifscheibe (30) einen ersten und einen zweiten konischen Umfangsabschnitt (40, 41) aufweist, derart, daß der erste Umfangsabschnitt (40) mit einer ersten Oberflächen (44) an einer helikoidalen Zerspanungsfläche (16) des Werkstücks (10) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die konischen Umfangsabschnitte (40, 41) derart eingestellt werden, daß sie am Umfang der Schleifscheibe (30) lotrecht aufeinanderstehen;
- - der Winkel (32) derart eingestellt wird, daß der zweite konische Umfangsabschnitt (41) der Schleifscheibe (30) mit einer zweiten Oberfläche (45) an einer axialen Umfangsfläche (15) des Werkstücks (10) anliegt;
- - aus einer vorgegebenen Oberflächenrauhigkeit (R _z) des Werkstücks (10) ein Überdeckungsgrad (u) der Schleifscheibe (10) bestimmt und alsdann die axiale Länge (l _N) der zweiten Oberfläche (45) nach der Beziehung: eingestellt wird, wobei (q) der Quotient (v _s/v _w) der Umfangsgeschwindigkeiten von Schleifscheibe (30) und Werkstück (10) ist;
- - die folgenden Wertbereiche eingestellt werden: d _w = 5 bis 250 mm
  v _s = 100 bis 300 m/s
  v _w = 65 bis 200 m/min
  v _fa = 150 bis 2000 mm/min.