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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum
Endbearbeiten zweier gegenüberliegender Kanten eines Werkstücks, beispielsweise
jener, die insbesondere eine zylindrische Innenfläche (Bohrung) oder Außenfläche
(Welle) des Werkstücks begrenzen, mit welcher man jede Kante dadurch bearbeitet,
daß zwei Werkzeuge mit Druck beaufschlagt werden durch Steuerung der
gleichzeitigen Gegeneinanderverschiebung der zwei Werkzeuge, wobei die Vorrichtung ein
Tragelement aufweist, zwei auf dem Tragelement angeordnete
Druckflüssigkeitszylinder, die jeweils einander gegenüberliegend angeordnete bewegliche Elemente
aufweisen und jeweils eines der beiden Werkzeuge tragen, eine
Druckflüssigkeitsquelle und ein zwischen den jeweiligen Arbeitskammern der zwei Zylinder und der
Druckflüssigkeitsquelle angeordnetes Wegeventil, wobei die Arbeitskammern durch
jeweilige Zufuhrleitungen so mit der Druckflüssigkeitsquelle parallelgeschaltet sind,
daß die tatsächliche Verbindung der Arbeitskammern mit der Druckflüssigkeitsquelle
durch das Wegeventil die Steuerung der gleichzeitigen Verschiebung der zwei
Werkzeuge ermöglicht.
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FR-A-2 455 489 beschreibt ein nahekommendes Bearbeitungsverfahren, das aber
faktisch beschränkt ist auf eine sehr spezielle Anwendung bei der Bearbeitung eines
relativ dünnen Blechs, das nicht die mechanische Widerstandsfähigkeit der gemäß
der vorliegenden Erfindung bearbeiteten Teile besitzt. Insbesondere ist nach diesem
Stand der Technik eines der beiden Werkzeuge unbeweglich: Wenn ein solches Mittel
in dem erfindungsgemäßen Verfahren beibehalten würde, würde es Verformungen
des Werkstücks hervorrufen, die mit der angestrebten Präzision der Bearbeitung
unvereinbar wären.
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SU-A-948 488, das den am nächsten kommenden Stand der Technik darstellt,
beschreibt eine Vorrichtung, die ein Tragelement aufweist, zwei auf dem Tragelement
angeordnete Druckflüssigkeitszylinder, die jeweils einander gegenüberliegend
angeordnete bewegliche Elemente aufweisen und jeweils eines der beiden Werkzeuge
tragen, eine Druckflüssigkeitsquelle und ein zwischen den jeweiligen Arbeitskammern
der zwei Zylinder und der Druckflüssigkeitsquelle angeordnetes Wegeventil, wobei
die Arbeitskammern durch jeweilige Zufuhrleitungen so mit der
Druckflüssigkeitsquelle parallelgeschaltet sind, daß die tatsächliche Verbindung der Arbeitskammern
mit der Druckflüssigkeitsquelle durch das Wegeventil die Steuerung der
gleichzeitigen Verschiebung der zwei Werkzeuge ermöglicht.
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Die Parallelschaltung der Arbeitskammern ist im vorherigen Dokument nicht
dargestellt, ist aber impliziert und im Bereich der Pressen bekannt.
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Die Erfahrung zeigt, daß unerwünschte Verformungen auftreten, wenn die Werkstücke
gegeneinander verschoben werden, ohne daß vorher die Herstellung des Kontakts
zwischen einem bestimmten der beiden Werkzeuge und dem Werkstück vorgesehen
ist.
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Um das Risiko unerwünschter Verformungen auszuschalten, hat die Erfindung
eine zweiphasige Folge vorgesehen, gemäß der der erste Kontakt mit dem Werkstück
immer von demselben Werkzeug hergestellt wird und die Kompression des Werkstücks
durch die beiden sich gegeneinander bewegenden Werkzeuge nach diesem ersten
Kontakt vor sich geht.
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Zur Durchführung dieser Folge ist gemäß der Erfindung ein geeichtes
Ausflußventil in der Zufuhrleitung der Arbeitskammer eines ersten der zwei Zylinder derart
angeordnet, daß infolge der durch das Wegeventil erzeugten tatsächlichen
Verbindung zunächst die Versorgung der zweiten der zwei Arbeitskammern, danach die
gleichzeitige Versorgung der beiden Arbeitskammern erreicht wird.
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Es wird darauf hingewiesen, daß derzeit die Durchführung der Endbearbeitung,
auf die die Erfindung zielt, von Hand, von besonders geschickten Arbeitern
gemacht wird, die insbesondere fähig sind, eine Schleifpolierung beider Kanten jeder
Bohrung aus einer Gruppe von 50 bis 100 Bohrungen eines Befestigungsflansches
durchzuführen, der zum Beispiel beim Bau von Flugzeugtriebwerken eingesetzt wird.
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Trotz ihrer Befähigung und Geschicklichkeit ist es offensichtlich, daß diese
Arbeiter keine Gleichförmigkeit der so endbearbeiteten Kanten erreichen.
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Daher schlägt die Erfindung eine Vorrichtung vor, die geeignet ist, die
Bearbeitungspräzision zu erreichen und alle unerwünschten Verformungen zu vermeiden wie
auch, die Bearbeitung zu automatisieren und wiederholbar zu machen.
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In vorteilhafter Weise wird, bevor ein Druck auf die zwei Werkzeuge an den
gegenüberliegenden Kanten ausgeübt wird, eine Oberflächennitrierhärtung im Bereich
der beiden Kanten durchgeführt.
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Die aus der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Vorteile
sind zahlreich und werden im folgenden aufgeführt.
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- Man erhält, von der Werkzeugabnutzung abgesehen, für eine Kante nach der
anderen dieselbe Form, so daß die Idealform nicht mehr durch einen besonderen
Kunstgriff, sondern durch einen wiederholbaren mechanischen Vorgang erreicht
werden kann.
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- Ein Zeitgewinn bei der Endbearbeitung einer Kante wird erzielt.
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- Der erzielte Oberflächenzustand ist ebenfalls verbessert, natürlich nicht nur in
Hinblick auf die Ausmaße, sondern auch auf die Rauhigkeit der Kante, die nach der
Endbearbeitung sehr gering ist.
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- Darüberhinaus wird der Werkstoff im Bereich der Kante kaltgehärtet, was die
mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs, insbesondere seine
Widerstandsfähigkeit gegen Oberflächenbelastungen, verbessert und folglich die Lebensdauer des
Werkstücks erhöht.
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Die Erfindung ist besser zu verstehen anhand der folgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen, in deren Verlauf zweitrangige Kennzeichen und ihre
Vorteile aufgeführt werden. Natürlich werden die Beschreibung und die Zeichnung als
illustrierendes, aber nicht einschränkendes Beispiel gegeben.
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Es wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, in denen
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- Fig. 1 einen axialen Schnitt durch eine Bohrung darstellt, deren Kanten
noch nicht die erfindungsgemäße Endbearbeitungsphase durchlaufen haben;
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- Fig. 2 einen zur Fig. 1 analogen axialen Schnitt durch dasselbe Werkstück
darstellt, dessen Kanten die erfindungsgemäße Endbearbeitungsphase durchlaufen;
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- Fig. 3 einen Schnitt entlang III-III durch die Fig. 2 darstellt;
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- Fig. 4 einen axialen Schnitt durch eine Zylinderwelle darstellt, deren Kanten
die erfindungsgemäße Endbearbeitungsphase durchlaufen; und
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- Fig. 5 ein Schema der hydraulischen Steuervorrichtung einer erfindungsgemäßen
Maschine darstellt.
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Die Bearbeitung, die der Erfindung zugrunde liegt, betrifft bestimmte
Befestigungsflansche, die in Hochleistungs-Gasturbinenmotoren enthalten sind und die
zahlreiche Bohrungen enthalten, deren Endbearbeitung, insbesondere die der
Kanten, sehr sorgfältig sein muß. Die Lösung dieses Problems durch die Erfindung
könnte a priori auf ein dem ersteren verwandtes Bearbeitungsproblem angewandt
werden: das der Endbearbeitung der Kanten eines zylindrischen Werkstücks anstelle
der Kanten einer Bohrung. In der Tat wird die Erfindung auch auf die
Endbearbeitung dieser zweiten Art von Werkstücken angewandt.
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Zwei Anwendungen werden im folgenden dargestellt, und die Unterschiede
zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und bekannten Verfahren herausgestellt.
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Die erste Anwendung ist durch die Fig. 1, 2 und 3 schematisch dargestellt.
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Bezogen auf Fig. 1 sieht man, daß ein Werkstück 1 bereits mit einer Bohrung
2 versehen ist, die auf zwei parallele, das Werkstück begrenzende Flächen 3 und 4
mündet. Die zylindrische Innenfläche 2a der Bohrung schneidet die Flächen 3 und 4
entlang der Kanten 5 und 6, die im dargestellten Beispiel entgratet worden sind. In
dem axialen Schnitt der Fig. 1 erscheinen die Kanten 5 und 6 als Scheitel rechter
Winkel, in denen sich die zylindrische Fläche 2a mit den ebenen Flächen 3 und 4
schneidet.
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Gegenüber jeder Kante 5, 6 ist ein Dorn 7, 8 angebracht, der mit einer torischen
Oberfläche 9, 10 versehen ist, deren Form komplementär ist zu der Form, die die
jeweilige Kante 5, 6 nach dem Andrücken des entsprechenden Dorns auf die Kante
haben soll.
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Es sei an dieser Stelle auf folgende Punkte hingewiesen:
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- in der Zeichnung der Fig. 1 ist der in einer durch die Achse 11 der Bohrung
2 verlaufenden Ebene (zum Beispiel der Zeichnungsebene der Fig. 1) liegende
Krümmungsradius R einer jeden der beiden Oberflächen 9, 10 relativ groß: Dies ist
beabsichtigt, um deutlich zu zeigen, woraus die Oberflächen 9 und 10 bestehen;
natürlich ist der Radius R in Wirklichkeit beträchtlich kleiner als der in Fig. 1
dargestellte;
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- in Wirklichkeit ist der Krümmungsradius R derart, daß die allgemeine Form des
Werkstücks 1 durch das Andrücken der Dorne 7, 8 auf die Kanten 5, 6 nicht verändert
wird, der Abstand zwischen den Seiten 3 und 4 bleibt unverändert, genauso wie der
Durchmesser der Bohrung 2 (bis auf den Bereich der Kanten 5, 6);
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- der Schnitt der Fig. 3 zeigt, daß im beschriebenen Beispiel die Oberfläche 2a
einen geraden kreisförmigen (und darüberhinaus ebenen) Querschnitt hat: es wird
jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf diese Querschnittsform
beschränkt ist und insbesondere auch auf die Endbearbeitung von Kanten 5, 6 mit
windschiefen (nicht in einer Ebene enthaltenen), nicht notwendigerweise
kreisförmigen Formen anwendbar ist;
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- Schließlich ist noch sinnvoll anzumerken, daß sowohl wenn die Kanten 5, 6 eine
windschiefe Form haben, als auch wenn ihre Form eben und kreisförmig ist, die
Dorne 7 und 8 eine feste Orientierung zu einer festgelegten radialen Richtung D
beibehalten (Fig. 3), so daß die endgültige Form der Kanten also nur durch Druck
infolge einer Verschiebung der Dorne entlang der Achse 11 der Bohrung 2 erhalten
wird.
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Die gewünschte Endform jeder Kante wird erhalten, ausgehend vom Aufbau in
Fig. 1, indem man mit Hilfe einer Presse die beiden Dorne 7, 8 verschiebt, unter
Anwendung von Kompressionskräften 7a, 8a von der Stärke, daß jede Kante die
Endform 5a, 6a annimmt, die der Form 9, 10 des entsprechenden Dorns entspricht.
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Man sieht, daß die zwei Kanten geformt werden durch Anwendung von
Kompressionskräften in entgegengesetzten Richtungen, was offensichtlich günstig ist für
das Gleichgewicht des Werkstücks 1 während der Endbearbeitung sowie das der
Maschine selbst, was aber auch darüberhinaus unerwünschte Verformungen der
Oberfläche 2a verhindert, die andernfalls durch die Verschiebung eines einzelnen
der beiden Dorne hervorgerufen würden.
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Ferner sind die Bereiche der Kanten 5, 6 vor der Endbearbeitung durch die
Dorne 8 und 9 oberflächlich nitriergehärtet worden, wobei die Tiefe der Behandlung
zwischen beispielsweise 0,5 und 1,5 mm liegt. Diese Nitrierhärtung erleichtert das
Gleiten der Oberflächen 9 und 10 der Dorne auf den Kanten 5 und 6 und den
Endformen 5a, 6a der Kanten.
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Es wird außerdem darauf hingewiesen, daß die Kompression des Werkstoffs der
Kanten 5, 6 durch die Dorne 7, 8 vorzugsweise begleitet von einer
Höchstdruckschmierung durchgeführt wird.
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Natürlich ist ein zum oben beschriebenen analoges Verfahren gleichermaßen auf
die Endbearbeitung der Kanten 12a, 13a eines zylindrischen Werkstücks 14
anwendbar, auch hier mit Dornen 7 und 8, deren Formen, insbesondere die der Oberflächen
15, 16, selbstverständlich an die Endbearbeitung solcher Kanten 12a, 13a angepaßt
sind (Fig. 4).
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Die Kompressionen 7a, 8a sind in den vorgenommenen Bearbeitungen alle in
kaltem Zustand, das heißt ohne vorheriges Heizen der Teile 1 oder 14, durchgeführt
worden.
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Diese Art Endbearbeitung wurde bisher an Werkstücken aus relativ
geschmeidigen Werkstoffen durchgeführt: hitzefeste Legierungen, die in Gasturbinen verwendet
werden und die ca. 50% Chrom und/oder Nickel, oder Titan enthalten und deren
Dehnungskoeffizient bei ca. 8% oder darüber liegt.
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Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, daß in heißem Zustand auch aus anderen,
weniger geschmeidigen als den oben aufgeführten Werkstoffen ausgeführte Werkstücke
eine Endbearbeitung wie oben beschrieben durchlaufen können.
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Fig. 5 stellt die Steuervorrichtung für die jeweiligen Verschiebungsbewegungen
der Dorne 7 und 8 dar. Diese Vorrichtung umfaßt
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- zwei Hydraulikzylinder 18, 19, deren Gehäuse an dem Tragelement 17 der
Endbearbeitungsmaschine befestigt sind und deren Kolben 24, 25 im Innern der Zylinder
zwei Arbeitskammern 20, 21 zum Ausstrecken der Kolben und zwei
Rückzugskammern zum Zurückziehen der Kolben begrenzen, einteilig mit den Kolben 24, 25
verbundene Kolbenstangen 26, 27, die sich gegenüberliegen und jeweils die Dorne 7,
8 tragen;
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- eine Pumpe 28;
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- ein Wegeventil 29 mit drei Stellungen;
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- ein Flüssigkeitsreservoir 30;
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- Ansaugleitung 31 und Stauleitung 32, die die Pumpe 28 mit dem Reservoir 30
und dem Wegeventil 29 verbinden;
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- eine Leitung 33, die das Wegeventil 29 mit dem Reservoir 30 verbindet;
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- eine Leitung 34, die die Stauleitung 32 mit dem Reservoir 30 verbindet;
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- ein Ausflußventil zum Schutz gegen Überdrücke, eingestellt auf 350 bar, in der
Leitung 34;
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- eine Leitung 36, die an das Wegeventil 29 angeschlossen ist und an die parallel
zwei Leitungen 37, 38 angeschlossen sind, von denen eine 37 an die Arbeitskammer
20 und die andere 38 an die Arbeitskammer 21 angeschlossen ist.
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- eine Leitung 39, die an das Wegeventil 29 angeschlossen ist und an die parallel
zwei Leitungen 40, 41 angeschlossen sind, von denen eine 40 an die
Rückzugskammer 22 und die andere 41 an die Rückzugskammer 23 angeschlossen ist;
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- ein Ausflußventil 42 in der Leitung 38, das auf einen mittleren Druck von
beispielsweise 50 bar eingestellt ist, um den Durchgang der Flüssigkeit in die
Arbeitskammer 21 zu ermöglichen;
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- eine Leitung 43, die mit der Leitung 38 auf beiden Seiten des Ausflußventils 42
abzweigend verbunden ist; und
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- ein Rückschlagventil 44 in der Leitung 43, das den Durchgang der Flüssigkeit
nur von der Arbeitskammer 21 zur Leitung 36 zuläßt.
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Die drei Stellungen des Wegeventils 29 entsprechen:
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- die erste Position, der Herstellung einer Verbindung zwischen den Leitungen 32
und 36, und zwischen den Leitungen 39 und 33;
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- die zweite Position, der Herstellung einer Verbindung zwischen den Leitungen 32
und 33, und der Verschließung der Leitungen 36 und 39; und
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- die dritte Position, der Herstellung einer Verbindung zwischen den Leitungen 32
und 39 und zwischen den Leitungen 36 und 33.
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Diese Vorrichtung funktioniert in der nachfolgend dargestellten Weise.
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Das Werkstück 1 wird auf das Tragelement 17 der Maschine gestellt, wo es frei
aufliegt. Die Bedienungsperson stellt das Wegeventil 29 in seine erste Position,
wodurch die Flüssigkeit unter dem Staudruck der Pumpe 28 in die Leitungen 36 und 37
gelenkt wird, und zunächst die Leitung 38 durch das Ausflußventil 42 und natürlich
die Leitung 43 durch das Rückschlagventil 44 verschlossen sind. Solange der Druck
in der Leitung 37 und in der oberen Arbeitskammer 20 nicht den eingestellten Wert
(50 bar) des Ausflußventils 42 erreicht, wird nur der Kolben 18 mit Flüssigkeit
versorgt:
Nur der Dorn 7 wird verschoben und tritt in Kontakt mit dem Werkstück
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1. Der Druck in der Kammer 20 des Kolbens 18 und in der Leitung 37 wächst mit
dem zunehmenden Druck des Dorns 7 auf das Werkstück 1, bis er den eingestellten
Wert des Ausflußventils 42 erreicht und übersteigt.
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Von diesem Moment an werden die Kammern 20 und 21 der beiden Kolben
parallel mit Druckflüssigkeit versorgt, so daß die Dorne 7 und 8 sich gleichzeitig
aufeinander zubewegen und die Kanten 5, 6 geformt werden (5a, 6a). Zwangsläufig befinden
sich die Formungskräfte an den Kanten im Gleichgewicht, und die Erfahrung hat
gezeigt, daß nur diese Anordnung es ermöglicht, unerwünschte Verformungen, zum
Beispiel an der Fläche 2a der Bohrung oder der Fläche 14a des Werkstücks 14 zu
vermeiden.
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Die Freigabe des Werkstücks 1 geschieht durch Stellen des Wegeventils 29 in
seine dritte Position, und folglich, durch Versorgen der Versorgen der Kammern 22,
23 der Kolben 18, 19 mit Druckflüssigkeit.
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Es ist zu beachten, daß die Dorne 7 und 8 nur auf den begrenzten Bereich der
Kanten 5, 6 (5a, 6a) einwirken, aber keine Oberfläche besitzen, die sich senkrecht zur
Achse der Verschiebungen 7a, 8a erstreckt: in dem erfindungsgemäßen Verfahren
haben die Dorne keinen Radialfreiwinkel.
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Die wichtigsten Vorteile des oben dargestellten Endbearbeitungsverfahrens sind
folgende:
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- Offensichtlich kann das Verfahren automatisiert werden und erfordert keinen
Kunstgriff und keine besondere Geschicklichkeit seitens des Anwenders, die
Einfachheit der Anwendung ist verbessert;
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- Darüberhinaus sind die erhaltenen Formen der Kanten unveränderlich und so
präzise wie notwendig: Sie können so oft identisch reproduziert werden, wie die
vorgesehene Anwendung es erfordert.
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- Der Zustand der erhaltenen Oberfläche ist gleichfalls ausgezeichnet und besser
als früher;
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- Da der Werkstoff im Bereich der Kante eine Kalthärtung erfährt, sind
seine mechanischen Eigenschaften verbessert, so daß die Lebensdauer des
endbearbeiteten Werkstücks gesteigert ist, auch wenn es wiederholten Belastungszyklen
unterworfen wird; früher hielt ein Werkstück 10.000 Belastungszyklen aus und kann
heute 100.000 aushalten;
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- Der Zeitgewinn bei der Durchführung der Endbearbeitung der Kanten ist auch
beachtlich;
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- Die Formung der Kanten, auch mit windschief gekrümmten, nicht ebenen
Profilen, wird erreicht ohne jegliche unerwünschte Verformung des mit diesen Kanten
versehenen Werkstücks, was durch das Gleichgewicht der Kompressionskräfte
erreicht wird.
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Es ist zu beachten, daß das erfindungsgemäße Verfahren neu ist im Hinblick auf:
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- Preß- oder Ziehformungstechnik, deren Ziel die Veränderung der allgemeinen
Form eines Werkstücks ist;
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- Walztechnik, die das Abrollen einer Andruckrolle vorsieht, es aber prinzipiell
nicht ermöglicht, endbearbeitete windschiefe (nicht ebene) reproduzierbare Formen
zu erhalten; und
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- Endformung von vorgearbeiteten Löchern in dünnen Platten und mit wenig
präzisen fertigen Kanten.