DE3528402A1

DE3528402A1 - Keramische drehspitze fuer werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE3528402A1
Application number: DE19853528402
Authority: DE
Inventors: Katsuhiro Nagoya Aichi Ono
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1984-08-08
Filing date: 1985-08-07
Publication date: 1986-02-13
Also published as: US4682445A; JPS6144504A; GB2163680A; GB2163680B; DE3528402C2; GB8519693D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehspitze zur Lagerung eines Werkstücks auf seiner Drehachse an einer Werkzeugmaschine, um das Werkstück während seiner Drehung spanend oder schleifend zu bearbeiten.

Bei Dreh-, Schleif- oder anderen Werkzeugmaschinen zur
spanenden oder schleifenden Bearbeitung von Werkstücken
während deren Drehung werden im allgemeinen Drehspitzen, im folgenden auch als "Spitzen" bezeichnet, verwendet, um das Werkstück um seine Achse drehbar zu lagern oder abzustützen, wobei tragende oder lagernde Stirnflächen der
Spitzen mit den zugeordneten, entgegengesetzten Stirnseiten des Werkstücks in Anlage bzw. Eingriff kommen.

Für Materialien solcher Spitzen zur Lagerung eines um
seine Achse drehenden Werkstücks wird ganz allgemein eine hohe Abriebfestigkeit gefordert, weil die Spitzen im Be

Dresdner Bank (Manchen) Kto. 3939 844 Deutsche Bank (München) Kto. 2B6 1060 Postscheckamt (München) KIo 670-43 804

trieb in starker, fester Reibungsanlage an dem Werkstück gehalten werden. Im Hinblick auf diesen betrieblichen Umstand werden die durch den Stand der Technik bekannten Spitzen aus verschiedenartigen Sinter-Hartmetallegierungen gefertigt, die eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit aufweisen.

Es hat sich erwiesen, daß Spitzen aus Hartmetall eine relativ hohe Abrieb- oder Verschleißfestigkeit sowie eine lange Lebensdauer oder Standzeit besitzen, wenn sie für Werkstücke aus metallischen Werkstoffen verwendet werden. Im Fall der Anwendung solcher Hartmetallspitzen zur Lagerung von keramischen Werkstücken verschleißen sie jedoch in kurzer Zeit und sind praktisch nicht verwendbar.

Im Hinblick auf dieses Problem, das dem Stand der Technik eigen ist, wurde die Erfindung konzipiert, deren Aufgabe es ist, eine Drehspitze zu schaffen, die für Anwendungen sowohl bei metallischen wie auch bei keramischen Werkstükken haltbar und standfest ist.

Gemäß der Erfindung wird eine keramische Drehspitze für eine Werkzeugmaschine, in der ein spanender oder schleifender Bearbeitungsvorgang an einem drehenden Werkstück ausgeführt wird, geschaffen, die an ihrer einen Stirnfläche ein Lagerelement zur Lagerung eines Werkstücks an einer seiner entgegengesetzten Stirnseiten auf dessen Drehachse aufweist, wobei die keramische Drehspitze aus einer gesinterten keramischen Masse gebildet ist, die eine Bruchzähigkeit von wenigstens 3,5 MN/m^ bei Raumtemperatur und eine Dichte von wenigstens 90% eines theoretischen Dichtewerts der Masse hat.

In diesem Zusaimsnhang wird festgestellt, daß die Bruchzähigkeit bei Umgebungs- uuer Raumtemperatur eine Eigenschaft der Spitze ist, die ihren Widerstand insbesondere gegen Reißen

oder Zerspringen kennzeichnet. Wenn die Bruchzähigkeit nicht geringer als 3,5 MN/m^ eingehalten wird, so bietet die Spitze eine praktisch ausreichende Festigkeit, und zwar insbesondere im Sinne eines Widerstandes gegen Zerbrechen. Vorzugsweise soll die Bruchzähigkeit bei Raumtemperatur nicht geringer als 5,5 MN/m^ sein. Ist die Bruchzähigkeit der gesinterten Keramikmasse bei Raumtemperatur niedriger als 3,5 MN/m^ oder ist deren Dichte geringer als 90% des theoretischen Werts, dann neigt die Spitze dazu, leicht abgenutzt zu werden, und ihre Lebensdauer wird herabgesetzt. Darüber hinaus ist die Spitze, wenn deren gesinterte Keramikmasse -diese unteren Grenzen der Zähigkeit und Dichte nicht erfüllt, brüchig oder spröde und nicht ausreichend widerstandsfähig gegen eine Beschädigung bei einem fehlerhaften Einrichten mit Bezug zum Werkstück oder auf Grund von Vibrationen des Werkstücks während einer spanenden oder schleifenden Bearbeitung und somit als eine Werkstückhalterung, die bei Werkzeugmaschinen verwendet wird, nicht ausreichend zufriedenstellend.

Erfindungsgemäß kann für die Spitze eine gesinterte Keramikmasse aus verschiedenartigen keramischen Materialien ohne Rücksicht auf die Zusammensetzung der keramischen Masse und ihres Form- sowie Sinterverfahrens zur Drehspitze verwendet werden, wenn nur die Voraussetzungen, daß ihre Zähigkeit bei Umgebungstemperatur 3,5 MN/m ² oder höher und ihre Dichte wenigstens 90% des theoretischen Werts betragen, erfüllt sind. Die gesinterte Keramikmasse für eine Drehspitze wird im allgemeinen aus Siliziumnitrid oder teilweise stabilisiertem Zirkon, das durch Additive, wie Yttriumoxid (Y₂O₃), Magesiumoxid (MgO) und Kalziumoxid (CaO), teilweise stabilisiert ist, oder aus Aluminiumoxid hoher Zähigkeit oder Härte gebildet. Gewöhnlich wird die Keramikmasse dieser keramischen Werkstoffe in einem Spritz- oder Druckgußverfahren ausgestaltet und in einem

Normaldruck- oder reaktiven Sinterverfahren gesintert.

Die erfindungsgemäßen keramischen Spitzen können nicht nur zur Lagerung von keramischen, sondern auch von metallischen Werkstücken, die schleifend oder spanend an verschiedenartigen Werkzeugmaschinen, z.B. Schleif- oder Drehmaschinen, bearbeitet werden, zum Einsatz kommen. Insbesondere sind die erfindungsgemäßen keramischen Spitzen zur drehbaren Lagerung von keramischen Werkstücken, die auf einer Außenrundschleifmaschine geschliffen werden, geeignet.

Das tragende,· an einer axialen Stirnfläche der keramischen Spitze ausgebildete Teil, das mit der zugeordneten Stirnseite des Werkstücks zur Anlage oder zum Eingirff kommt, kann entweder als konische Zentrierspitze oder versenkte Zentrierbohrung ausgebildet sein, die jeweils so angeordnet ist, daß sie am Werkstück konzentrisch angreift. Für Keramikspitzen, die zur Abstützung von keramischen Werkstücken verwendet werden, wird jedoch vorgezogen, das tragende Teil mit einer konischen oder eingesenkten Zentrierbohrung zu versehen, und zwar aus dem Gesichtspunkt heraus, daß es leichter ist, an den keramischen Werkstücken Teile vorzusehen, die mit dem tragenden Teil der Spitze zum Eingriff kommen, d.h., es ist einfacher, an einem keramischen Werkstück Zentrierspitzen vorzusehen, als in diesem eine Zentrierbohrung auszubilden.

Wenn, wie oben angedeutet wurde, das tragende Teil der keramischen Spitze mit einem konischen oder sich verjüngenden Vorsprung, der von einer Stirnfläche der Spitze ausgeht, versehen ist, so wird im Werkstück eine konische Zentrierbohrung, in die die Zentrierspitze der keramischen Drehspitze genau paßt, ausgebildet. Ist dagegen das tragende Teil der Drehspitze mit einer konischen oder eingesenkten Zentrierbohrung versehen, so wird am Werkstück

eine konische Zentrierspitze ausgestaltet, die in die konische Zentrierbohrung der Drehspitze paßt. In beiden Fällen ist es notwendig, eine Zentrierbohrung entweder in der keramischen Spitze oder im Werkstück auszubilden. Falls das Werkstück aus einem Keramikmaterial besteht, so ist es besser, im tragenden Teil der Drehspitze eine konische Zentrierbohrung auszubilden, da dadurch beschwerliche oder schwierige Schritte zur Herstellung von Zentrierbohrungen in jedem einzelnen Werkstück, die spanend oder schleifend in relativ großer Stückzahl bearbeitet werden, entfallen. Die Ausschaltung dieser Schritte hat eine gesteigerte Gesamtleistung in der Bearbeitung von keramischen Werkstücken zum Ergebnis.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung, aus der allgemeine sowie besondere Ziele wie auch die Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes deutlich werden, erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer keramischen Drehspitze in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine abgebrochene, teilweise geschnittene Seitenansicht einer Rundschleifmaschine, die mit keramischen Drehspitzen gemäß Fig. 1 ausgestattet ist, zwischen denen ein Werkstück gehalten ist;

Fig. 3 eine Seitenansicht des in Fig. 2 gezeigten Werkstücks;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer keramischen Drehspitze in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine zu Fig. 2 gleichartige Darstellung einer Rundschleifmaschine mit den Drehspitzen gemäß Fig. 4, die ein Werkstück halten;

Fig. 6 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Werkstücks von Fig. 5;

Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Verschleißfestigkeit der Drehspitzen von Fig. 1 und 4 im Vergleich mit derjenigen einer herkömmlichen Drehspitze, wobei die Verschleißfestigkeit als die Unrundheit oder Genauigkeit von Werkstücken, die bei einer Lagerung zwischen den erfindungsgemäßen Drehspitzen geschliffen wurden, ausgedrückt ist.

In den Fig. 1 und 4 sind zwei unterschiedlich ausgestaltete keramische Spitzen gemäß der Erfindung zur Verwendung an Rundschleifmaschinen dargestellt.

Die in Fig. 1 gezeigte, gemäß der Erfindung gefertigte Drehspitze 10 hat eine konische oder versenkte Zentrierbohrung 12 in der einen ihrer axial entgegengesetzten Stirnflächen, und diese Seite, in der die Bohrung 12 ausgebildet ist, dient als tragendes Teil. An der Spitze 10 ist auf der vom tragenden Teil mit der Bohrung 12 abgewandten Abschnitt ein Konusteil 14 ausgestaltet. Im Betrieb kommen zwei keramische Spitzen 10, z.B. an einer Rundschleifmaschine, wie Fig. 2 zeigt, zum Einsatz, von denen die eine in einer Spindel 18 eines Spindelstocks 16 und die andere in einem Reitstock 20 so befestigt wird, daß das Konusteil 14 jeweils im Loch der Spindel 18 oder des Reitstocks 20 fest sitzt. Ein an diesen keramischen Spitzen 10 zu lagerndes Werkstück ist in typischer Weise ein Rundstab oder ein Teil nach Art einer Welle, das aus keramischem Material gefertigt ist. Wie schon gesagt wurde, ist die in Rede stehende keramische Spitze 10 für keramische Werkstücke besonders wirksam und nützlich. Am Werkstück 22 sind konische oder sich verjüngende Vorsprünge bzw. Spitzen 24 einstückig ausgestaltet, die an den in der Längs- oder Achsrichtung einander entgegengesetzten Stirnseiten vorragen. Das

Werkstück 22 wird zwischen den an der Schleifmaschine montierten keramischen Spitzen 10 so gehalten, daß die einander entgegengesetzten konischen Zentrierspitzen 24 in die konischen Bohrungen 12 der Spitzen 10 passend eingreifen, wie Fig. 2 zeigt.

Um das Werkstück 22 während eines SchleifVorgangs an seiner äußeren Kreisumfangsflache zu drehen, wird das auf der Seite des Spindelstocks 16 liegende Ende von einem Mitnehmer 26 erfaßt, der mit einer Mitnehmerplatte 28 verbunden ist, die rund um die Spindel 18 angeordnet ist, so daß sie relativ zueinander drehbar sind. Mit der Außenfläche des Werkstücks 22 wird bei dessen von der Mitnehmerplatte 28 ausgehenden Drehung um seine Achse eine drehende Schleifscheibe 30 in Berührung gebracht, die üblicherweise in der zur Drehrichtung des Werkstücks 22 entgegengesetzten Richtung gedreht wird, jedoch können die Schleifscheibe 30 und das Werkstück 22 auch in gleicher Richtung drehen. Die Kegelwinkel des Konusteils 14, der Zentrierbohrung 12 in der Drehspitze 10 und der Zentrierspitze 14 am Werkstück 22 können in Abhängigkeit von den jeweiligen Arbeitsbedingungen oder -umständen in geeigneter Weise gewählt werden.

Eine andere Ausbildung einer keramischen Spitze 32 ist in Fig. 4 gezeigt, wobei deren Hauptteil jedoch zu dem der Spitze 10 identisch ausgestaltet ist. Der Unterschied besteht darin, daß die Drehspitze 32 ein tragendes Teil in Form einer kegeligen oder sich verjüngenden Spitze 34 hat, die an (\er vom Konusteil 14 abgewandten Stirnfläche vorragt. Eine das Werkstück 36 bildende, von den keramischen Spitzen 32 zu lagernde Welle, weist an ihren beiden Stirnseiten konische oder eingesenkte Zentrierbohrungen 38 auf, wie Fig. 6 zeigt. Das Werkstück 36 wird dadurch zwischen den keramischen Drehspitzen 32 gehalten, wobei deren kegelige Zentrierspitzen 34 in die konischen Zentrierbohrungen 38 des Werkstücks 36 eingepaßt

werden, wie Fig. 5 zeigt. Das Schleifen des Werkstücks 36 geht in der gleichen Weise vor sich, wie das im Zusammenhang mit dem Werkstück 22 und Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde.

Aus der obigen Erläuterung geht hervor, daß die keramische Drehspitze gemäß der Erfindung aus einer gesinterten Keramikmasse mit einer Bruchzähigkeit von wenigstens 3,5 MN/m^ bei Raumtemperatur und mit einer Dichte von wenigstens 90% ihrer theoretischen Dichte gebildet wird. Die gesinterte Keramikmasse mit diesen Eigenschaften hat eine beträchtlich gesteigerte Verschleißfestigkeit und einen in der Praxis ausreichenden Widerstand gegen ein Brechen auch dann, wenn sie für ein Werkstück aus keramischem Material verwendet wird. Somit weist die erfindungsgemäße keramische Drehspitze eine ganz hervorragende Haltbar- oder Standfestigkeit auf und trägt einen großen Anteil zur Leistungssteigerung in der spanenden oder schleifenden Bearbeitung von Keramikwerkstücken bei. Diese Gesichtspunkte der Erfindung sind industriell von Bedeutung.

Um den Grundgedanken oder Kern der Erfindung noch weiter darzustellen, werden einige Beispiele für keramische Drehspitzen gemäß der Erfindung erläutert. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung in keiner Weise auf die Einzelheiten dieser Beispiele begrenzt ist.

Beispiele

Zwei keramische Spitzen 10 gemäß Fig. 1 wurden durch Formen und Brennen einer Masse aus 3 Mol-% eines Yttriumoxids (Y₂Oo) enthaltenden Zirkonoxids (ZrOp) hergestellt. Diese beiden Keramikspitzen 10 zeigten eine Bruchzähigkeit von 8 MN/m^ bei Raumtemperatur, eine Biegefestigkeit von 1000 MPa in einem Vierpunkt-Biegeversuch bei Raumtemperatur und eine Dichte von 5,91 (97% des theoretischen Werts). Als zu schleifende Werkstücke 22 wurde eine große Anzahl von Wellen gemäß Fig. 3 aus Siliziumnitrid vorbereitet. Die Werk-

stücke 22 wurden nacheinander in der in Fig. 2 gezeigten Rundschleifmaschine geschliffen, wobei sie an und zwischen den keramischen Spitzen 10 gelagert waren. Die Genauigkeit oder Unrundheit des geschliffenen Abschnitts der Werkstücke 22 wurde gemessen; die Messungen sind als die Linie A(o) in Fig. 7 angegeben.

Die keramischen Spitzen 10 wur.den mit einem Konusteil 14 eines Morsekegels Nr. 4 und mit einer kegeligen Zentrierbohrung 12 eines Kegelwinkels von 60° versehen. An den Werkstücken (Wellen) 22 mit einem Außendurchmesser von 20 mm und einer Länge von 120 mm wurden die konischen Zentrierspitzen 24 mit einem Kegelwinkel von 60° ausgebildet, so daß sie in die Zentrierbohrungen 12 der Drehspitzen 10 passen. Die Werkstücke wurden mit der Diamantpartikel enthaltenden Diamantschleifscheibe 30 geschliffen.

Durch Formen eines Siliziumnitridmaterials in üblicher Weise und Sintern der geformten Masse aus Siliziumnitrid bei Atmosphärendruck wurden zwei keramische Spitzen 32 gemäß Fig. 4 ausgebildet. Aus demselben Siliziumnitridmaterial wurde eine Anzahl von Werkstücken (Wellen) 36 nach Fig. 6 gefertigt, die, während sie zwischen den keramischen Drehspitzen 32 gehalten wurden, in der in Fig. 5 gezeigten Weise geschliffen wurden. Die Messungen sind in Fig. 7 als Linie B(x) aufgetragen.

Die keramischen Spitzen 32 wiesen eine Bruchzähigkeit von 6 MN/m^ bei Raumtemperatur, eine Biegefestigkeit von 850 MPa in einem Vierpunkt-Biegeversuch bei Raumtemperatur und eine Dichte von 3,10 (93% des theoretischen Werts) auf. Gleich den keramischen Spitzen 10 waren die Spitzen 32 mit dem Konusteil 14 mit dem Morsekegel Nr. 4 und mit den konischen Zentrierbohrungen 34 mit einem Kegelwinkel von 60° versehen. Als Schleifscheibe 30 wurde eine Diamantschleif-

scheibe verwendet; die Werkstücke 36 hatten denselben Durchmesser und die gleiche Länge wie die Werkstücke 22.

Vergleichsmuster mit derselben Gestalt wie die Drehspitze 32 wurden aus einem Hartmetall auf WC-Basis gefertigt. Unter Verwendung dieser Vergleichsmuster wurden die Werkstücke aus Siliziumnitrid nacheinander geschliffen. Die Genauigkeit des geschliffenen Abschnitts der Werkstücke 36 wurde gemessen; die Ergebnisse sind als Linie C(^) in Fig. 7 aufgetragen.

Wie sich aus dem Diagramm von Fig. 7 deutlich ergibt, war der Verschleiß der zum Vergleich herangezogenen Hartmetall-Drehspitzen auf WC-Basis beträchtlich, wobei die Unrundheit der geschliffenen Werkstücke 36 auf einen unzulässigen Wert angehoben wurde, nachdem die Spitzen zum Schleifen des vierten oder fünften Werkstücks verwendet worden waren. Dagegen wurde der Verschleiß der Keramikspitzen 10 aus teilweise stabilisiertem Zirkonoxid und der keramischen Drehspitzen 32 aus Siliziumnitrid - beide gemäß der Erfindung gefertigt - auf ganz beträchtlich niedrigen Werten gehalten, was sich dadurch zeigt, daß die Unrundheit der Werkstücke 22 und 36 im Bereich von 1 pm gehalten wurde, und zwar selbst nach einer Verwendung der keramischen Drehspitzen 10 und zum Schleifen von 100 Werkstücken.

Wenngleich die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen dargelegt und beschrieben wurde, ist klar, daß auf Grund der offenbarten Lehre dem Fachmann Abwandlungen und Abänderungen an die Hand gegeben sind, die jedoch als in den Rahmen der Erfindung fallend anzusehen sind.

■ β.

Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1. Keramische Drehspitze für eine einen spanenden oder schleifenden Arbeitsvorgang an einem drehenden Werkstück ausführende Werkzeugmaschine, gekennzeichnet durch ein tragendes, ein Werkstück (22, 36) an seiner einen Stirnseite auf dessen Drehachse lagerndes Teil (12, 34) an der einen Stirnfläche der keramischen Drehspitze (10,33) die aus einer gesinterten Keramikmasse mit einer Bruchzähigkeit von wenigstens 3,5 M/m ^i bei Raumtemperatur und einer Dichte von wenigstens 90% ihres theoretischen Dichtewerts gebildet ist.

2. Drehsptize nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterte Keramikmasse eine Bruchzähigkeit von wenigstens 5,5 MN/m^ bei Raumtemperatur hat.

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844

Deutsche Bank (München) Kto. 2861060

Postscheckamt (München) Kto. 670· 43 -804

3. Drehspitze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterte Keramikmasse aus teilweise stabilisiertem Zirkonoxid gefertigt ist.

4. Drehspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bearbeitende Werkstück (22, 36) aus einem keramischen Material besteht.

5. Drehspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das tragende Teil eine in der einen Stirnfläche der keramischen Drehspitze (10) ausgebildete, mit einem Werkstück (22) konzentrisch zum Eingriff zu bringende konische Zentrierbohrung (12) aufweist.

6. Drehspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das tragende Teil eine von der einen Stirnfläche der keramischen Drehspitze (32) vorragende, mit einem Werkstück (36) konzentrisch zum Eingriff zu bringende Zentrierspitze (34) aufweist.