Werkzeug für Feinstbearbeitung

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] 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.

[0003] 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

[0004] 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.

[0005] Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.

Zeichnung

[0006] 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

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

Ansprüche

1. 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.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsstufen (19) im Durchmesser von einer Seite her ansteigen bis zu einem größten Durchmesser (D1).

3. 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.

4. Werkzeug nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug ein Hohlkörper ist, und zur Bearbeitung von Wellen, Achsen und dergleichen dient.

5. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsstufe (19) einen runden Querschnitt hat.

6. Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsstufe (19) hohlzylindrisch ist.

7. 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.

Claims

1. Tool for the superfinishing of bores, shafts or the like having any, in particular round, cross-section and made of a very hard, metallic material, which tool has a plurality of working areas (17) lying concentrically one behind the other in the axial direction, the forming process for the workpiece surface to be worked being effected by compression without chip removal, there being an entering smoothing bevel (16) at the start as viewed in the axial direction, and the working areas (17) consisting of a groove (18), an entering curve (20), a working step (19) and a leaving curve (21) corresponding to the entering curve (20), the transition area in each case running tangentially with respect to the working step (19) and the working steps (19) extending rectilinearly in the axial direction.

2. Tool according to Claim 1, characterized in that the working steps (19) increase in diameter from one side up to a maximum diameter (D1).

3. Tool according to Claim 1 and/or 2, characterized in that the tool is a mandrel for the working of bores, and in that the mandrel (11), as viewed in the direction of movement, has a guide area (14) and a centring area (15) in front of the entering smoothing bevel (16), and in that a leaving bevel (23) and a straight leaving portion (24) adjoin the leaving curve (21).

4. Tool according to Claim 1 and/or 2, characterized in that the tool is a hollow body and serves to work shafts, spindles and the like.

5. Tool according to Claim 3, characterized in that the working step (19) has a round cross-section.

6. Tool according to Claim 4, characterized in that the working step (19) is hollow-cylindrical.

7. Tool according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the tool consists of a basic body of high-alloy sintered steel, to which first of all an intermediate coating of nickel is applied electrolytically at least in the working area and then a hard coating of, in particular, pure titanium is applied, and in that the surface of the tool is compressed and smoothed after the coating.

Revendications

1. Outil de superfinition de perçages, d'arbres ou analogue, ayant une section quelconque en particulier ronde, et comportant plusieurs zones de travail (17), très dures, métalliques, alignées concentriquement dans la direction de l'axe, pour transformer la surface de la pièce à usiner sans enlèvement de copeaux, par compression et, selon la direction axiale, au début avec une rampe de lissage d'entrée (16) et des zones de travail formées d'une nervure (18), d'une courbe d'entrée (20), d'une plage de travail (19) et d'une courbe de sortie (21) correspondant à la courbe d'entrée (20), la zone de transition vers la plage de travail (19) étant tangentielle, les plages de travail (19) s'étendant en ligne droite dans la direction axiale.

2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plages de travail (19) ont un diamètre croissant à partir d'un côté jusqu'au plus grand diamètre (D1).

3. Outil selon la revendication 1 et/ou 2, caractérisé en ce qu'il s'agit d'une broche pour l'usinage de perçages et cette broche (11) comporte selon le sens de déplacement, en amont de la rampe de lissage d'entée (16), une zone de guidage (14) et une zone de centrage (15) et la courbe de sortie (21) se poursuit par une rampe de sortie (23) et une partie droite de sortie (24).

4. Outil selon la revendication 1 et/ou 2, caractérisé en ce qu'il est un corps creux et sert à l'usinage d'arbres, d'axes ou analogues.

5. Outil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plage de travail (19) a une section ronde.

6. Outil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plage de travail (19) est cylindrique, creuse.

7. Outil selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un corps de base en acier fritté, fortement allié, muni au moins dans la plage de travail, tout d'abord d'une couche intermédiaire en nickel appliquée par voie électrolytique, puis une couche dure notamment en titane pur et la surface extérieure de l'outil est comprimée et lissée après application du revêtement.

Zeichnung