EP0515868B1

EP0515868B1 - Werkzeug für Feinstbearbeitung

Info

Publication number: EP0515868B1
Application number: EP92107471A
Authority: EP
Inventors: Ludwig Dipl.-Ing. Finkbeiner; Manfred Dipl.-Ing. Wilhelm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1992-05-02
Publication date: 1995-10-04
Anticipated expiration: 2012-05-02
Also published as: EP0515868A1; DE4117814A1; US5233738A; DE59203877D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug für die Feinstbearbeitung der Oberfläche von Bohrungen, Wellen oder dergleichen. Derartige Werkzeuge, z. B. Räumwerkzeuge, Räumnadeln oder dergleichen arbeiten spanabhebend, wodurch die bearbeiteten Oberflächen bei weitem noch keinen optimalen Glättegrad erhalten. Dies ist jedoch in besonderen Fällen notwendig, z. B. bei Gehäusebohrungen für Steuerschieber von Ventilen.
Aus der US-A 4 771 627 ist ein Werkzeug für die Feinstbearbeitung von Bohrungen, Wellen oder dergleichen mit beliebigem, insbesondere rundem Querschnitt, und aus sehr hartem metallischem Werkstoff, das mehrere konzentrisch in Achsrichtung hintereinander liegende Arbeitsbereiche aufweist, bekannt. Der durch die Arbeitsbereiche hervorgerufene Umformprozeß der zu bearbeitenden Werkzeugoberfläche erfogt spanlos. Der Arbeitsbereich besteht aus Nuten und Erhebungen. Mit Hilfe dieser Vorrichtung können nur kurze Bohrungen geglättet werden. Bei diesem Werkzeug haben die Erhebungen einen kleinen Radius, während die dazwischenliegenden Nuten einen großen Radius aufweisen. Der relativ steile Anstiegswinkel zu den Erhebungen bewirkt bei harten Werkstoffen eine Beschädigung des Werkzeugs. Bei harten Werkstoffen weist die Innenwand eine so hohe Härte auf, daß die Erhebungen nachgeben können. Dies ist möglich, da sich hinter den jeweiligen Erhebungen in Form der Nuten ein Raum mit einem großen Radius befindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Glättwerkzeug herzustellen, mit dem glatte und hochfeste Oberflächen geschaffen werden können. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Werkzeug mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die bearbeiteten Oberflächen nicht nur eine außerordentlich hohe Maßgenauigkeit erhalten, sondern auch eine außerordentlich glatte und hochfeste Oberfläche. Das Werkzeug erzeugt eine Präzisions-Mikroumformung der Oberfläche des Werkstoffs. Die Bearbeitung kann, je nach Art des Werkzeugs, sowohl an Innenflächen, z. B. Bohrungen, wie auch an Außenflächen (Wellen, Achsen usw.) vorgenommen werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung wiedergegeben. Letztere zeigt in Figur 1 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Glättwerkzeugs, in Figur 2 eine Einzelheit des Glättwerkzeugs und in Figur 3 eine Anwendung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das Präzisions-Glättwerkzeug ist als Glättdorn 10 ausgebildet, das zur Endbearbeitung, d. h. für das Herstellen eines genauesten Durchmessermaßes z. B. einer Bohrung durch Verdichten deren Oberfläche, d. h. also nicht durch spanabhebende Bearbeitung, dient. Bevor auf den Werkstoff des Werkzeugs eingegangen ist, sei die Werkzeuggeometrie erläutert. Es hat einen zylindrischen Schaft 11, an dessen Stirnseite sich eine Einlaufschräge 13 befindet, auf welche die Führungsgerade 14 folgt. Danach kommt ein Zentrierbereich 15 und dann eine Stufe mit gerundeten Übergängen. Daran schließt sich eine Einlauf-Glättschräge 16 an und dann die sogenannte Feinstufe 17, welche den eigentlichen Arbeitsbereich bildet. Die Feinstufe 17 besteht aus einer größeren Anzahl von konzentrisch hintereinanderliegenden Rillen 18, zwischen den sich die eigentlichen Arbeitsstufen 19 befinden, welche zylindrisch (gerade) ausgebildet sind.
Sehr wesentlich ist nun der Übergangsbereich zwischen jeweils einer Rille 18 und einer Arbeitsstufe 19. Dieser Übergangsbereich ist in Bewegungsrichtung des Werkzeugs - siehe Figur 2 und Pfeil P - als Einlaufkurve 20 bezeichnet, im dahinterliegenden Bereich als Auslaufkurve 21. Der Übergang von jeder Rille 18 zu einer Arbeitsstufe 19 verläuft jeweils tangential.
Der größte Durchmesser einer Arbeitsstufe 19 befindet sich am Ende der Feinstufe 17. An dem dem Schaft 11 gegenüberliegenden Ende der Feinstufe 17 folgt nun eine Auslaufschräge 23, darauf eine Auslaufgerade 24. Der Durchmesserunterschied der einzelnen Arbeitsstufen 19 in der Feinstufe 17 beträgt etwa 0,2 bis 0,3 Mikrometer, d. h. er ist außerordentlich gering.
Die Figur 3 zeigt ein Bearbeitungsbeispiel für das Glättwerkzeug. Hier muß eine Bohrung 27 eines Maschinenteils auf genauesten Durchmesser, geringste Rauhtiefe und genaueste Zylindrizität gebracht werden. Das geschieht mit Hilfe des Glättwerkzeugs, das die Oberfläche der Bohrung beim Durchschieben durch Verdichten - hier handelt es sich natürlich nur um wenige Mikrometer - auf genauestes Maß bringt, also nicht durch Spanabheben.
Der Grundwerkstoff des Präzisions-Glättwerkzeugs besteht z. B. aus hochlegiertem Stahl mit einem homogenen Gefüge, insbesondere ein Drucksinterwerkstoff mit einer Harte von 67 bis 69 HRC nach der Härtung im Vakuum. Zum Drucksintern eignet sich vor allem das sogenannte HIP-Verfahren (hochisostatisches Pressen). Das hierzu verwendete Drucksintermehl soll einen Korndurchmesser von 3 bis 7 Mikrometer haben, dazu kommt ein Fließmittel, z. B. Nickel, Zinn, Zink, ebenfalls als Sintermehl mit etwa gleicher Korngröße. Die Oberfläche muß frei von Mikrorissen sein.
Auf den Grundwerkstoff wird eine Hartschicht aufgebracht, deren Härte etwa 300 % höher liegen soll, als die Härte des zu glättenden Werkstücks. Zuvor wird jedoch das Werkzeug chemisch-mechanisch gereinigt. Dann wird auf den gesinterten Grundwerkstoff zwecks guter Haftung der Hartschicht eine dünne Zwischenschicht aus Nickel auf die Arbeitsfläche bzw. die Feinstufe 17 elektrolytisch aufgebracht, die etwa 0,2 bis 0,4 Mikrometer dick ist und die sich kohäsiv mit dem Grundwerkstoff verbindet und dann auch mit der nachfolgenden Hartschicht. Diese wird ebenfalls nur in der Feinstufe 17 aufgebracht und besteht im äußersten Bereich aus TiN der Härte 2000 HV oder TiC₂N, Härte 2700 - 3200 HV.
Hierzu wird im PVD-Verfahren (physical vapour deposition) Rein-Titan aufgebracht. Dazu wird - wie zuvor beschrieben - das vorher mit Rein-Nickel elektrolytisch beschichtete Werkzeug in einer Reduktionsstufe auf 480 °C zum Entgasen erwärmt und in einer Schutzgaszone das Rein-Titan zugeführt. Nach dem Aufbringen von Rein-Titan mit einer Schichtdicke von 0,3 bis 0,5 Mikrometer, wird durch Diffusion Stickstoff und Kohlenstoff ins Rein-Titan eingebracht, bis die geschlossene Hartschicht aus TiN oder TiC₂N entsteht. Damit verbleibt eine reine Metallschicht auf der Werkzeugoberfläche. Das Werkzeug wird dann feinstgeschliffen und danach mechanisch-chemisch gereinigt.
Nach der Hartbeschichtung muß der genannte Arbeitsbereich bzw. die Feinstufe des Werkzeugs verdichtet und geglättet werden durch definiertes Polieren. Das Poliermittel muß gefiltert sein. Nach dieser Glättung muß das Werkzeug wiederum mechanisch-chemisch gereinigt werden mit einer Kunststoff-Stabilbürste. Es ist darauf zu achten, daß alle freien Kristalle von der Oberfläche entfernt werden.
Beim Einsatz des Werkzeugs ist es zweckmäßig, einen dünnflüssigen Schmierstoff zu verwenden. Als besonders geeignet hat sich ein säurearmes, mineralisch-organisches Öl bewährt. Dies richtet sich vor allem nach der Werkstücklegierung, der Werkstückhärte und dessen Oberfläche. Es kann aber auch mit Emulsionen geschmiert und gekühlt werden. Eine Kühlung ist sehr wichtig bzw. zweckmäßig.
Das beschriebene Präzisionsglättwerkzeug ist zur Bearbeitung von Bohrungen vorgesehen. Es ist jedoch möglich, sinngemäß ein ähnliches Werkzeug für die Präzisionsbearbeitung von z. B. Wellen, Achsen und dergleichen herzustellen.
Der Querschnitt der Feinstufe bzw. des gesamten Werkzeugs ist üblicherweise rund, er kann aber auch andere Formen aufweisen, z. B. ein Polygonprofil, ein elliptisches u. a.

Claims

Werkzeug für die Feinstbearbeitung von Bohrungen, Wellen oder dergleichen mit beliebigem, insbesondere rundem Querschnitt, und aus sehr hartem, metallischen Werkstoff, das mehrere konzentrisch in Achsrichtung hintereinander liegende Arbeitsbereiche (17) aufweist, wobei der Umformprozeß der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche spanlos durch Verdichten erfolgt, wobei in Achsrichtung gesehen zu Beginn eine Binlauf-Glättschräge (16) vorhanden ist und die Arbeitsbereiche (17) aus einer Rille (18), einer Binlaufkurve (20), einer Arbeitsstufe (19) und einer der Binlaufkurve (20) entsprechenden Auslaufkurve (21) bestehen, wobei der Übergangsbereich zur Arbeitsstufe (19) jeweils tangential verläuft und die Arbeitsstufen (19) sich in Achsrichtung gerade erstrecken.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsstufen (19) im Durchmesser von einer Seite her ansteigen bis zu einem größten Durchmesser (D1).
Werkzeug nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug ein Dorn ist zur Bearbeitung von Bohrungen und daß der Dorn (11) in Bewegungsrichtung gesehen vor der Einlauf-Glättschräge (16) einen Führungsbereich (14) und einen Zentrierbereich (15) hat und daß sich an die Auslaufkurve (21) eine Auslaufschräge (23) und eine Auslaufgerade (24) anschließt.
Werkzeug nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug ein Hohlkörper ist, und zur Bearbeitung von Wellen, Achsen und dergleichen dient.
Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsstufe (19) einen runden Querschnitt hat.
Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsstufe (19) hohlzylindrisch ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug aus einem Grundkörper aus hochlegiertem Sinterstahl besteht, auf welchem mindestens im Arbeitsbereich zuerst eine Zwischenschicht aus Nickel elektrolytisch aufgebracht wird und danach eine Hartschicht aus insbesondere Rein-Titan, und daß die Oberfläche des Werkzeugs nach dem Beschichten verdichtet und geglättet wird.