DE3528402C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehspitze für eine Werkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-Firmenschrift "Kosta Stirnseitenmitnehmer, 1957" ist eine Drehspitze für Werkzeugmaschinen bekannt, auf deren freier Stirnseite inmitten von Mitnehmerelementen auch eine Zentrierspitze angeordnet ist. Die Drehspitze und die Zentrierspitze sind aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, der bei der Bearbeitung von ebenfalls aus metallischen Werkstoff bestehenden Werkstücken ausreichend lange Standzeiten sichert.

Im Zuge der technischen Weiterentwicklung wurden bei den zu bearbeitenden Werkstücken metallische Werkstoffe zunehmend durch keramische Werkstoffe ersetzt. Deren Weiterbearbeitung auf den oben genannten Werkzeugmaschinen führte zu empfind­ lich verkürzten Standzeiten der bekannten Drehspitzen bzw. zur Entwicklung von Drehspitzen aus sehr teueren metallischen Werkstoffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehspitze zu schaffen, die preiswert herzustellen ist und mit der auch bei der Bearbeitung von aus keramischen Werkstoffen bestehenden Werkstücken lange Standzeiten erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Drehspitze der eingangs genannten Art gelöst, die die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale aufweist.

Durch Drehspitzen aus keramischen Werkstoffen mit den genannten Kennwerten wurden Betriebsergebnisse erzielt, die auch nach einer im Vergleich zu Drehspitzen aus metallischen Werkstoffen außerordentlich hohen Anzahl von Bearbeitungsvorgängen innerhalb der für die zu bearbeitenden Werkstücke zulässigen Fertigungstoleranzen lagen.

Für die Drehspitze kann eine gesinterte Keramikmasse aus verschiedenartigen keramischen Werkstoffen verwendet werden, wenn die Voraussetzungen, daß ihre Rißzähigkeit bei Umgebungstemperatur 3,5 MN/m^3/2 oder höher und ihre Dichte wenigstens 90% des theoretischen Dichtewertes betragen, erfüllt sind. Die gesinterte Keramikmasse für einen Drehspitze wird im allgemeinen aus Siliziumnitrid oder teilweise stabilisiertem Zirkon, das durch Additive, wie Yttriumoxid (Y₂O₃), Magnesiumoxid (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 Druckgußverfah­ ren ausgestaltet und in einem Normaldruck- oder reaktiven Sinterverfahren gesintert.

Die erfindungsgemäßen keramischen Druckspitzen 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 Drehspitzen zur drehbaren Lagerung von keramischen Werkstücken, die auf einer Außenrundschleifmaschine geschliffen werden, geeignet.

Die an einer axialen Stirnfläche der keramischen Druckspitze ausgebildete Zentrierspitze, die mit der zugeordneten Stirn­ seite des Werkstücks zum Eingriff kommt, kann als konischer Vorsprung oder als versenkte Bohrung ausgebildet sein, und ist so angeordnet, daß sie am Werkstück konzentrisch angreift. Für keramische Druckspitzen, die zur Abstützung von keramischen Werkstücken verwendet werden, wird jedoch vorgezogen, die Zentrierspitze mit einer konischen oder eingesenkten Bohrung zu versehen, weil es einfacher ist, an keramischen Werkstücken Zentriervorsprünge als -bohrungen auszubilden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand von Ausfüh­ rungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

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

Fig. 2 eine abgebrochene, teilweise geschnittene Seitenan­ sicht 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 Rund­ schleifmaschine 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 der­ jenigen einer herkömmlichen Drehspitze, wobei die Ver­ schleißfestigkeit als die Unrundheit oder Genauigkeit von geschliffenen Werkstücken ausgedrückt ist.

In den Fig. 1 und 4 sind zwei unterschiedlich ausgestaltete keramische Drehspitzen 10 bzw. 32 zur Verwendung an Rundschleifmaschinen dargestellt.

Die in Fig. 1 gezeigte Dreh­ spitze 10 hat in einer ihrer Stirnflächen eine Zentrierspitze 12, deren Zentrierelement als konische oder versenkte Bohrung 12 ausgebildet ist. An der Drehspitze 10 ist auf dem von der Bohrung 12 entfernten Abschnitt ein Konusteil 14 ausgestaltet. Im Betrieb kommen zwei keramische Drehspitzen 10, z. B. an einer Rundschleifmaschine, wie Fig. 2 zeigt, zum Ein­ satz, von denen die eine in einer Spindel 18 eines Spindel­ stocks 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 Drehspit­ zen 10 zu lagerndes Werkstück ist ein Rundstab oder eine Welle aus kerami­ schem Werkstoff. Die keramische Drehspitze 10 ist für keramische Werk­ stücke besonders geeignet. Am Werkstück 22 sind konische oder sich verjüngende Zentriervorsprünge bzw. Spitzen 24 ein­ stückig ausgestaltet, die an den in der Längs- oder Achsrich­ tung einander entgegensetzten Stirnseiten vorragen. Das Werkstück 22 wird zwischen den an der Schleifmaschine montier­ ten keramischen Drehspitzen 10 so gehalten, daß die einander ent­ gegengesetzten konischen Zentriervorsprünge 24 in die konischen Bohrungen 12 der Drehspitzen 10 eingreifen, wie Fig. 2 zeigt.

Um das Werkstück 22 während eines Schleifvorgangs an seiner äußeren Kreisumfangsfläche zu drehen, wird das auf der Seite des Spindelstocks 16 liegende Ende von einem Mitnehmer 26 er­ faßt, 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 Be­ rührung 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 Bohrung 12 in der Drehspitze 10 und des Zen­ riervorsprungs 24 am Werkstück 22 können in Abhängigkeit von den jeweiligen Arbeitsbedingungen geeignet gewählt werden.

Eine andere keramische Drehspitze 32 ist in Fig. 4 gezeigt, deren Hauptteil zu dem der Drehspitze 10 identisch ausgestaltet ist. Der Unterschied besteht darin, daß die Drehspitze 32 eine Zentrierspitze 34 mit einem kegeli­ gen oder sich verjüngenden Vorsprung 34 hat, der an der vom Konusteil 14 abgewandten Stirnfläche vorsteht. Eine das Werk­ stück 36 bildende, von den keramischen Drehspitzen 32 zu lagernde Welle, weist an ihren beide Stirnseiten konische oder einge­ senkte Zentrierbohrungen 38 auf, wie Fig. 6 zeigt. Das Werk­ stück 36 wird dadurch zwischen den keramischen Drehspitzen 32 gehalten, wobei deren kegelige Zentriervorsprünge 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 es im Zusammenhang mit dem Werkstück 22 und Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde.

Die keramische Drehspitze wird aus einer gesinterten Keramik­ masse mit einer Rißzähigkeit von zumindest 3,5 MN/m^3/2 bei Raumtemperatur und mit einer Dichte von wenigstens 90% ihres theoretischen Dichtewertes hergestellt. Diese gesinterte Keramik­ masse hat eine beträchtlich gestei­ gerte Verschleißfestigkeit und einen in der Praxis ausreichen­ den Widerstand gegen Bruch auch dann, wenn sie bei einem Werkstück aus keramischem Werkstoff verwendet wird. Die keramische Drehspitze ist sehr haltbar und standfest und trägt zur Leistungssteigerung in der spanenden oder schleifenden Bearbeitung von Keramikwerkstücken bei.

Beispiele

Zwei keramische Drehspitzen 10 gemäß Fig. 1 wurden durch Formen und Brennen einer Masse aus 3 Mol-% eines Yttriumoxids (Y₂O₃) enthaltenden Zirkondioxid (ZrO₂) hergestellt. Diese beiden Drehspitzen 10 hatten eine Rißzähigkeit von 8 MN/m^3/2 bei Raumtemperatur, eine Biegefestigkeit von 1000 MPa in einem Vierpunkt-Biegeversuch bei Raumtemperatur und eine Dichte von 5,91 (97% des theoretischen Dichtewerts). 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 Rund­ schleifmaschine geschliffen, wobei sie an und zwischen den keramischen Drehspitzen 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 Drehspitzen 10 wurden mit einem Konusteil 14 eines Morsekegels Nr. 4 und als Zentrierspitze 12 mit einer kegeligen Bohrung 12 mit einem Kegelwinkel von 60° versehen. An den Werkstücken (Wellen) 22 mit einem Außendurchmesser von 20 mm und einer Länge von 120 mm wurden die konischen Zen­ triervorsprünge 24 mit einem Kegelwinkel von 60° ausgebildet, so daß sie in die Bohrungen 12 der Drehspitze 10 passen. Die Werkstücke wurden mit der Diamantpartikel ent­ haltenden Diamantschleifscheibe 30 geschliffen.

Durch Formen eines Siliziumnitridmaterials in üblicher Weise und Sintern der geformten Masse aus Siliziumnitrid bei At­ mosphärendruck wurden zwei keramische Drehspitzen 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 Dreh­ spitzen 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 Drehspitzen 32 wiesen eine Rißzähigkeit von 6 MN/m^3/2 bei Raumtemperatur, eine Biegefestigkeit von 850 MPa in einem Vierpunkt-Biegeversuch bei Raumtemperatur und eine Dichte von 3, 10 (93% des theoretischen Dichtwerts) auf. Gleich den keramischen Drehspitzen 10 waren die Drehspitzen 32 mit dem Konusteil 14 mit dem Morsekegel Nr. 4 und mit den koni­ schen Vorsprüngen 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 36 aus Siliziumnitrid nacheinander geschliffen. Die Genauig­ keit des geschliffenen Abschnitts der Werkstücke 36 wurde gemessen; die Ergebnisse sind als Line C(Δ) 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 Drehspitzen zum Schleifen des vier­ ten oder fünften Werkstücks verwendet worden waren.

Dagegen wurde der Verschleiß der keramischen Drehspitzen 10 aus teil­ weise stabilisiertem Zirkondioxid und der keramischen Dreh­ spitzen 32 aus Siliziumnitrid auf ganz beträchtlich niedrigen Werten gehalten, was sich dadurch zeigt, daß die Unrundheit der Werkstücke 22 und 36 im Bereich von 1 µm gehalten wurde, und zwar selbst nach einer Verwendung der keramischen Drehspitzen 10 und 32 zum Schleifen von 100 Werkstücken.

Claims (6)

1. Drehspitze für eine Werkzeugmaschine, auf der ein drehen­ des Werkstück einem spanenden oder schleifenden Bearbei­ tungsvorgang unterzogen wird, bei dem das Werkstück an seinen beiden Stirnseiten auf jeweils einer an einer Drehspitze angebrachten Zentrierspitze in seiner Drehachse zentriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehspitze (10; 32) aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist, der bei Raumtemperatur eine Rißzähigkeit von zumindest 3,5 MN/m^3/2 und eine Dichte von zumindest 90% seines theoretischen Dichtewertes aufweist.

2. Drehspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff bei Raumtemperatur eine Rißzähigkeit von zumindest 5,5 MN/m^3/2 aufweist.

3. Drehspitze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff teilweise stabilisiertes Zirkondioxid ist.

4. Drehspitze nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ihre Verwendung bei einem Werkstück (22, 36) aus einem keramischen Werkstoff.

5. Drehspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierelement der Drehspitze (10) als konische Bohrung (12) ausgebildet ist.

6. Drehspitze nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Zentrierelement der Zentrierspitze (32) als kegelförmiger Vorsprung (34) ausgebildet ist.