Verfahren zum Aussenrundschleifen von Werkstücken

Abstract

 Ein Verfahren dient zum Außenrundschleifen von Werkstücken (10). Eine Schleifscheibe (30) wird an das sich gegenläufig drehende Werkstück (10) angelegt und mit einer Vorschubgeschwin­digkeit parallel zur Achse (11) des Werkstücks (10) zugestellt. Die Schleifscheibe (30) dreht sich um eine Achse (31), die unter einem Winkel (32) zur Achse (11) des Werkstücks (10) angestellt ist.
Um bei hohen Zerspanungsleistungen Werkstückoberflächen von geringer Rauhigkeit, insbesondere ohne spiralförmige Ober­flächenrillen zu erzeugen, wird zunächst aus einer vorgegebenen Oberflächenrauhigkeit empirisch ein Überdeckungsgrad als Hilfsgröße ermittelt und dann mittels einer Formel die axiale Länge der ersen Oberfläche bestimmt und eingestellt. Das Verfahren wird in einem Wertebereich eingesetzt, bei dem Werkstückdurchmesser von 5 bis 250 mm auftreten, die Schleif­scheibe (30) sich mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 100 bis 300 m/s und das Werkstück sich mit einer Umfangsgeschwin­digkeit von 65 bis 200 m/s dreht und die axiale Zustellung mit einer Geschwindigkeit von 150 bis 2000 mm/min erfolgt.

Beschreibung

[0001] 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 Vorschubge­ schwindigkeit (v_{f a}) 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 und der zweite Umfangs­abschnitt mit einer zweiten Oberfläche an einer axialen Um­fangsfläche des Werkstücks anliegt.

[0002] Verfahren der vorstehend genannten Art sind allgemein bekannt und werden in der Regel zum sogenannten "Einstechschleifen" eingesetzt. Beim herkömmlichen Einstechschleifen werden ver­hältnismäßig geringe Umfangsgeschwindigkeiten von Schleifscheibe und Werkstück eingestellt, beispielsweise Umfangsgeschwindig­keiten in der Größenordnung von 40 m/s.

[0003] Es ist ferner bekannt, das vorstehend erläuterte Verfahren zum Schälschleifen einzusetzen, bei dem durch die axiale Vorschubbewegung der Außenumfang des Werkstücks von einem Rohmaß auf ein Sollmaß bei verhältnismäßig hohen Zerspanungs­leistungen abgeschliffen wird. Die axiale Vorschubgeschwindig­keit ist in diesem Falle außerordentlich gering und liegt im Bereich von einigen mm/min.

[0004] Andererseits ist ein Hochgeschwindigkeits-Schleifverfahren bekannt, bei dem eine Schleifscheibe von verhältnismäßig geringer Dicke (beispielsweise 8 mm) verwendet wird, die derart angestellt ist, daß sie mit einer Stirnfläche an einer radialen Schulterfläche des Werkstücks zwischen Rohmaß und Endmaß anliegt, während ihre Umfangs-Mantelfläche gegenüber der fertig bearbeiteten axialen Umfangsfläche des Werkstücks unter einem Freiwinkel angestellt ist.

[0005] Obwohl auch mit diesen bekannten Hochgeschwindigkeits-Schleif­verfahren verhältnismäßig hohe Zerspanungsleistungen erzielt werden können, hat dieses bekannte Verfahren den Nachteil, daß aufgrund der praktisch punktförmigen Anlage der Schleif­scheibe am Fußpunkt der radialen Stirnfläche des Werkstücks im Übergang zur bereits fertig bearbeiteten Umfangsfläche eine spiralförmig gerillte Oberfläche des Werkstücks entsteht, die für viele Anwendungen nicht akzeptabel ist.

[0006] 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.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus einer vorgegebenen Oberflächenrauhigkeit (R_z) des Werkstücks ein Überdeckungsgrad (u) der Schleifscheibe bestimmt und alsdann die axiale Länge (l_N) der ersten Oberfläche nach der Beziehung:

eingestellt wird, wobei (q) der Quotient (V_s/v_w) der Umfangs­geschwindigkeiten von Schleifscheibe und Werkstück ist und vorzugsweise die folgenden Wertebereiche eingestellt sind:
d_w = 5 bis 250 mm
v_s = 100 bis 300 m/s
v_w = 65 bis 200 m/min
v_{f a} = 150 bis 2000 mm/min.

[0008] 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.

[0009] 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 1.000 mal größer ist als beim herkömmlichen Längsschleifen. Eine Haupt­schneidenfläche wirkt als Stirnseite des Schleifkörpers, wobei die axiale Zustellung etwa 10 bis 100 mal 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.

[0010] 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.

[0011] 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 ersten 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 ersten Oberfläche entsprechen, aufgewendet werden müssen.

[0012] Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

[0013] Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­stehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

[0014] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

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 Schleifscheiben­umfangsgeschwindigkeit (V_s).

[0015] 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.

[0016] Zwischen den Abschnitten 12 und 13 befindet sich eine helikoi­dale Zerspanungsfläche 16, wobei das Aufmaß mit a bezeichnet ist.

[0017] Das Werkstück 10, das einen Durchmesser (d_w) 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 (d_w) von 5 bis 250 mm entspricht.

[0018] 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_{f a} des Werkstücks 10 beträgt dabei etwa 150 bis 2.000 mm/min. Das üblicherweise verwendete Koordinatensystem X-Y-Z ist ebenfalls in Fig. 1 eingetragen.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] Die Schleifscheibe 30 weist, von ihren radialen Stirnflächen ausgehend, als Hauptschneidenfläche einen ersten konischen Abschnitt 40, als Nebenschneidenfläche einen zweiten konischen Abschnitt 41 und einen dritten konischen Abschnitt 42 auf.

[0022] 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.

[0023] 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.

[0024] 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.

[0025] Man kann nun einen Überdeckungsgrad (u) definieren, der dem Quotienten der axialen Länge (l_N) der zweiten Oberfläche 45 zur Zustellung in Richtung des dritten Pfeils 35 entspricht, wobei diese Zustellung ihrerseits gleich dem Quotienten der Vorschubgeschwindigkeit (v_{f a}) und der Drehzahl des Werkstücks ist.

[0026] Dieser Überdeckungsgrad (u) ist ein direktes Maß für die erzielbare Oberflächenrauhigkeit (R_z), 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) umso besser, d.h. geringer wird, je größer der Überdeckungsgrad (u) je höher die Umfangs­geschwindigkeit (v_s) der Schleifscheibe 30 ist.

[0027] 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 Werkstück­durchmesser (d_w) und der Vorschubgeschwindigkeit (v_{f a}) 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.

[0028] 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, ohen daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Ansprüche

1. 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_{f a}) 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 Oberfläche (44) an einer helikoidalen Zerspanungs­fläche (16) und der zweite Umfangsabschnitt (41) mit einer zweiten Oberfläche (45) an einer axialen Umfangs­fläche (15) des Werkstücks (10) anliegt, dadurch gekenn­zeichnet, daß aus einer vorgegebenen Oberflächenrauhig­ keit (R_z) des Werkstücks (10) ein Überdeckungsgrad (u) der Schleifscheibe (10) bestimmt und alsdann die axiale Länge (l_N) der ersten Oberfläche (45) nach der Beziehung:

eingestellt wird, wobei (q) der Quotient (v_s/v_w) der Umfangsgeschwindigkeiten von Schleifscheibe (30) und Werkstück (10) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Wertebereiche eingestellt sind:
d_w = 5 bis 250 mm
v_s = 100 bis 300 m/s
v_w = 65 bis 200 m/min
v_{f a} = 150 bis 2000 mm/min.

Zeichnung