DE69824603T2

DE69824603T2 - Verfahren und vorrichtung zum rändeln eines werkstückes, verfahren zum formen eines artikels mit solch einem werkstück, und solch ein geformter artikel

Info

Publication number: DE69824603T2
Application number: DE69824603T
Authority: DE
Inventors: L. Timothy HOOPMAN
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1997-09-03
Filing date: 1998-01-09
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2018-01-10
Also published as: US20010023629A1; WO1999011434A1; AU5914998A; US6959575B2; US20010029770A1; CN1268917A; EP1009591B1; US6386079B2; JP2003517377A; CN100335235C; DE69824603D1; CA2298694A1; BR9811624A; US6238611B1; US5946991A; EP1009591A1; JP4179749B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Rändeln eines Musters mit zwei oder mehr verschiedenen Nutenkonfigurationen in ein Werkstück und einen mit dem gerändelten Werkstück geformten Körper. Solch ein Formkörper ist neben anderen Verwendungen zur Herstellung eines Schleifkörpers nützlich, wobei eine strukturierte abrasive Beschichtung auf einem Substrat vorgesehen wird.
Es sind zwei allgemeine Rändelverfahren bekannt. Rändeln erfolgt in der Regel durch den ersten Rändelprozess, der als Walzrändeln oder Formrändeln bezeichnet wird. Formrändeln erfolgt durch Drücken eines Rändelrads gegen ein Werkstück mit ausreichender Kraft, um die Außenfläche des Werkstücks plastisch zu verformen. Der als Fräsrändeln bezeichnete zweite Prozess erfolgt durch derartiges Ausrichten des Rändelrads bezüglich des Werkstücks, dass das Rad durch Abheben von Metallspänen ein Muster in das Werkstück schneidet. Fräsrändelhalter und Fräsrändelräder sind von Dorian Tool International, Houston, Texas, erhältlich. Fräsrändelwerkzeuge der Marke Zeus sind von Eagle Rock Technologies Int'l Corp. mit Sitz in Bath, Pennsylvania erhältlich.
Beim Formrändeln verläuft die Drehachse des Rändelrads parallel zur Drehachse des zylindrischen Werkstücks. Deshalb wird der auf der Walze gebildete Schrägungswinkel der Nuten durch den Schrägungswinkel der Zähne auf dem Rändelrad definiert. Für das Fräsrändeln ist die Drehachse des Fräsrändelrades bezüglich der Drehachse des zylindrischen Werkstücks geneigt („der Neigungswinkel"), um den Schrägungswinkel zu definieren und die Schneidwirkung zu erzeugen. Da die Kante des Rändelrads als Fräswerkzeug verwendet wird, muss ein Freiwinkel vorgesehen werden. Dies wird durch derartiges Positionieren des Rändelrads, dass an dem Kontaktpunkt des Rändelrads und der Werkstückfläche die mit Zähnen versehene zylindrische Fläche des Rändelrads und die Werkstückfläche einen Winkel zwischen 3 und 10 Grad bilden, erreicht.
Bei beiden obigen Rändelprozessarten besteht die im Werkstück erzeugte Struktur aus einer Vielzahl von durchgehenden Nuten mit einem Querschnitt ähnlich der Form der Zähne auf dem Rändelrad. Bei beiden herkömmlichen Rändelprozessen wird in der Regel ein rautenförmiges Muster, das aus der Schnittstelle zweier Sätze von durchgehenden Nuten entsteht, aufgebracht, wobei die beiden Sätze entgegengesetzte und gleiche Schrägungswinkel (einer mit einer linken Schrägung („LH") und einer mit einer rechten Schrägung („RH")) bezüglich eines zylindrischen Werkstücks aufweisen. Die Schnittstelle der beiden Nutensätze erzeugt ein rautenförmiges Muster in der Außenfläche des Werkstücks. Die Rauten sind in der senkrecht zur Längsachse des zylindrischen Werkstücks verlaufenden Richtung ausgerichtet und sind alle im Wesentlichen identisch. Es sind auch herkömmliche Rändelprozesse zum Aufbringen eines quadratischen Musters verwendet worden, bei denen die Quadrate so ausgerichtet sind, dass ihre Seiten in einem Winkel von 45° zur Längsachse des Werkstücks verlaufen. Wie bei dem rautenförmigen Muster ist auch das quadratische Muster in der senkrecht zur Längsachse des zylindrischen Werkstücks verlaufenden Richtung ausgerichtet, und alle der quadratischen Pyramiden sind identisch. Diese Prozesse werden in der Regel dazu verwendet, ein Antirutschmuster auf einem Werkzeuggriff, einem Maschinenbedienungsknopf oder dergleichen vorzusehen.
Bei herkömmlichen handelsüblichen Fräsrändelhaltern ist der Neigungswinkel des Rändelrades bei ± 30° bezüglich der Drehachse des zylindrischen Werkstücks festgelegt. Es sind auch Halter mit Rändelradneigungswinkeln von ± 45° erhältlich. Rändelräder mit Zähnen, deren Schrägungswinkel bezüglich der Drehachse des Rads 0°, 15°RH, 30°RH, 15°LH und 30°LH beträgt, sind leicht erhältlich. Die Summe des Neigungswinkels und des Zahnschrägungswinkels definiert den Nutenschrägungswinkel im Werkstück. Die Permutationen arithmetischer Summen dieser Räderachsenneigungswinkel und Rändelzahnschrägungswinkel können Nutenschrägungswinkel auf der zylindrischen Werkstückfläche bei 0°, 15°, 30°, 45°, 60° und 75°RH oder LH zur Werkstückdrehachse erzeugen. Wenn ein Nutenschrägungswinkel auf der Werkstückfläche erwünscht ist, der sich von diesen Winkeln unterscheidet, muss ein spezielles Rändelrad und/oder ein spezieller Rändelhalter gefertigt werden.
In der am 10. April 1997 veröffentlichten WO 97/12727 „Method and Apparatus for Knurling a Workpiece, Method of Molding an Articte With Such Workpiece, und Such Molded Article", Hoopman et al., werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Rändeln eines Werkstücks offenbart, wobei die beiden Sätze von sich schneidenden Nuten jeweils einen Schrägungswinkel mit ungleicher Größe und entgegengesetzter Richtung aufweisen. Das sich ergebende Rändelmuster ist deshalb nicht in der zylindrischen Richtung des Werkstücks ausgerichtet. Hoopman et al. offenbaren auch ein Verfahren zum Formen eines Formkörpers mit dem gerändelten Werkstück, um auf den Formkörper die Umkehrung des Rändelmusters aufzubringen, und ein Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Schleifkörpers mit dem Formkörper. Die strukturierte abrasive Beschichtung umfasst Schleifteilchen und ein Bindemittel in Form präziser, dreidimensionaler Verbundschleifkörper, die auf das Substrat geformt worden sind.
Andere strukturierte Schleifmittel und Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung solcher strukturierten Schleifmittel werden in der am 6. Oktober 1992 erteilten US-PS 5,152,917 „Structured Abrasive Article" (Pieper et al.) beschrieben.
Die am 23. März 1995 veröffentlichte WO 95/07797 „Abrasive Article, Method of Manufacture of Same, Method of Using Same for Finishing, And a Production Tool" (Hoopman et al.) offenbart einen strukturierten Schleifkörper, bei dem die Schleifmittel nicht alle identisch sind. Hoopman et al. stellt unter anderem sich unterscheidende Abmessungsformen in der Schleifmittelanordnung bereit. Eine Kopie eines gewünschten Musters von verschiedenen Abmessungsformen von Schleifmitteln kann in der Fläche eines so genannten Metall-Masters, wie zum Beispiel eines Aluminium-, Kupfer-, Bronze- oder eines Kunststoffmasters wie Akrylkunststoff, hergestellt werden, die jeweils nach der Nutenausbildung, wie durch Diamantdrehen hergestellte Nuten, damit erhabene Teile, die den gewünschten vorbestimmten Formen der Schleifmittel entsprechen, verbleiben, vernickelt werden können. Dann kann ein flexibles Produktionswerkzeug im Allgemeinen aus dem Master durch das in der US-PS 5,152,917 (Pieper et al.) erläuterte Verfahren hergestellt werden.
Andere Beispiele für strukturierte Schleifkörper und Verfahren und Vorrichtungen für ihre Herstellung werden in der am 25. Juli 1995 erteilten US-PS 5,435,816 „Method of Making an Abrasive Article" (Spurgeon et al.) offenbart. Bei einer Ausführungsform lehren Spurgeon et al. ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifkörpers mit genau beabstandeten und ausgerichteten Verbundschleifkörpern, die mit einer Trägerfläche verklebt sind. Spurgeon et al. lehren, dass neben anderen Vorgehensweisen ein thermoplastisches Produktionswerkzeug gemäß der folgenden Vorgehensweise hergestellt werden kann. Zunächst wird ein Master-Werkzeug bereitgestellt. Das Master-Werkzeug besteht vorzugsweise aus Metall, zum Beispiel Nickel. Das Master-Werkzeug kann durch ein beliebiges herkömmliches Verfahren, wie zum Beispiel Gravieren, Wälzfräsen, Rändeln, Elektroformung, Diamantdrehen, Laserbearbeitung usw., hergestellt werden. Das Master-Werkzeug sollte auf seiner Fläche die Umkehrung des Musters für das Produktionswerkzeug aufweisen. Das thermoplastische Material kann mit dem Master-Werkzeug geprägt werden, um das Muster zu bilden. Obgleich Spurgeon et al. kurz erwähnen, dass das Master-Werkzeug durch Rändeln hergestellt werden kann, wird kein spezielles Rändelverfahren eines Master-Werkzugs durch Spurgeon et al. gezeigt, gelehrt oder vorgeschlagen.
Somit ist zu sehen, dass ein Bedarf für eine Rändelvorrichtung und ein Verfahren besteht, die bzw. das es gestattet, das Rändelrad in einem beliebigen gewünschten Winkel bezüglich der Drehachse eines zylindrischen Werkstücks zu halten. Des Weiteren besteht ein Bedarf nach der Bereitstellung einer Rändelvorrichtung und eines Rändelverfahrens, bei der bzw. bei dem das Rändelmuster im Werkstück Nutenstrukturen mit mindestens zwei verschiedenen Konfigurationen umfasst. Diesen Bedürfnissen wird mit dem in Anspruch 1 definierten Rändelverfahren, dem in Anspruch 13 definierten gerändelten Werkstück und dem in Anspruch 25 definierten Rändelrad entsprochen.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung nach der Definition in Anspruch 1 stellt ein Verfahren zum Rändeln einer zylindrischen Fläche eines Werkstücks, welches eine Längsachse aufweist, bereit. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Einbringen einer ersten Vielzahl von Nuten in ein Werkstück mit einem Rändelwerkzeug, das eine Vielzahl von Zähnen von mindestens zwei verschiedenen Arten aufweist, wobei zumindest einige der Zähne asymmetrisch sind, wobei die erste Vielzahl von Nuten einen ersten Schrägungswinkel bezüglich der Längsachse des Werkstücks aufweist; wobei die erste Vielzahl von Nuten eine erste Nut und eine zweite Nut aufweist und sich die zweite Nut hinsichtlich ihrer Konfiguration von der ersten Nut wesentlich unterscheidet; und b) Einbringen einer zweiten Vielzahl von Nuten in das Werkstück, wobei die zweite Vielzahl von Nuten einen zweiten Schrägungswinkel bezüglich der Längsachse aufweist. Die zweite Vielzahl von Nuten schneidet die erste Vielzahl von Nuten, wodurch auf der Außenfläche des Werkstücks ein Rändelmuster eingebracht wird. Dieses Muster verläuft durchgehend und ununterbrochen um den Umfang des Werkstücks.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des obigen Verfahrens weist die zweite Vielzahl von Nuten eine dritte Nut und eine vierte Nut auf, wobei sich die vierte Nut hinsichtlich ihrer Konfiguration von der dritten Nut wesentlich unterscheidet. Bei einer bevorzugten Version dieser Ausführungsform weisen die dritte und die vierte Nut jeweils eine erste Nutenfläche, eine zweite Nutenfläche und einen Nutengrund auf. Die erste und die zweite Nutenfläche erstrecken sich jeweils von einer Werkstückaußenfläche zum Nutengrund. Die Nutenflächen der dritten Nut verlaufen in einem dritten eingeschlossenen Winkel zueinander, die Nutenflächen der vierten Nut verlaufen in einem vierten eingeschlossenen Winkel zueinander, wobei sich der vierte eingeschlossene Winkel von dem dritten eingeschlossenen Winkel wesentlich unterscheidet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich der dritte und der vierte Winkel um mindestens 3 Grad. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich der dritte und der vierte eingeschlossene Winkel um mindestens 10 Grad.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des obigen Verfahrens weisen die erste und die zweite Nut jeweils eine erste Nutenfläche, eine zweite Nutenfläche und einen Nutengrund auf. Die erste und die zweite Nutenfläche erstrecken sich jeweils von einer Werkstückaußenfläche zum Nutengrund. Die Nutenflächen der ersten Nut verlaufen in einem ersten eingeschlossenen Winkel zueinander, und die Flächen der zweiten Nut verlaufen in einem zweiten eingeschlossenen Winkel zueinander. Der zweite eingeschlossene Winkel unterscheidet sich wesentlich von dem ersten eingeschlossenen Winkel. Bei einer bevorzugten Version dieser Ausführungsform unterscheiden sich der erste und der zweite eingeschlossene Winkel um mindestens 3 Grad. Bei einer anderen bevorzugten Version dieser Ausführungsform unterscheiden sich der erste und der zweite eingeschlossene Winkel um mindestens 10 Grad. Bei einer anderen bevorzugten Version dieser Ausführungsform ist der Nutengrund eine an der Schnittstelle zwischen der ersten und der zweiten Nutenfläche gebildete Linie.
Bei noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform des obigen Verfahrens bildet die Schnittstelle der ersten Vielzahl von Nuten und der zweiten Vielzahl von Nuten auf der Werkstückaußenfläche eine Vielzahl von Pyramiden. Jede der Pyramiden weist durch die ersten Nuten gebildete erste gegenüberliegende Seitenflächen und durch die zweiten Nuten gebildete zweite gegenüberliegende Seitenflächen auf. Die Vielzahl von Pyramiden weist eine erste Pyramide und eine zweite Pyramide auf, wobei sich die zweite Pyramide hinsichtlich ihrer Konfiguration von der ersten Pyramide wesentlich unterscheidet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bilden die gegenüberliegenden ersten Seiten der ersten Pyramide einen ersten Winkel dazwischen und die gegenüberliegenden ersten Flächen der zweiten Pyramide einen zweiten Winkel dazwischen, und der zweite Winkel unterscheidet sich von dem ersten Winkel um mindestens 3 Grad. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich der zweite Winkel von dem ersten Winkel um mindestens 10 grad. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Pyramiden Pyramidenstümpfe.
Bei noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform des obigen Verfahrens weisen der erste und der zweite Nutenschrägungswinkel wesentlich ungleiche Größen auf.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein gerändeltes Werkstück bereit, das gemäß dem obigen Verfahren hergestellt ist.
Des Weiteren stellt die vorliegende Erfindung ein gerändeltes Werkstück nach Anspruch 13 mit einer gerändelten zylindrischen Außenfläche bereit. Das gerändelte Werkstück umfasst Folgendes: einen zylindrischen Körper mit einer Längsachse und einer zylindrischen Außenfläche, wobei die Außenfläche darauf ein Rändelmuster aufweist. Das Rändelmuster umfasst eine erste Vielzahl von Nuten, die einen ersten Schrägungswinkel bezüglich der Längsachse des Werkstücks aufweist. Die erste Vielzahl von Nuten weist eine erste Nut und eine zweite Nut auf und die zweite Nut unterscheidet sich hinsichtlich ihrer Konfiguration wesentlich von der ersten Nut. Des Weiteren weist das Rändelmuster eine zweite Vielzahl von Nuten auf. Die zweite Vielzahl von Nuten weist einen zweiten Schrägungswinkel bezüglich der Längsachse auf. Die zweite Vielzahl von Nuten schneidet die erste Vielzahl von Nuten. Das Rändelmuster verläuft durchgehend und ununterbrochen um den Umfang des Werkstücks. Zumindest einige der Vielzahl von ersten und zweiten Nuten sind asymmetrisch.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des obigen gerändelten Werkstücks weist die zweite Vielzahl von Nuten eine dritte und eine vierte Nut auf, wobei sich die vierte Nut hinsichtlich ihrer Konfiguration von der dritten Nut wesentlich unterscheidet.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des obigen gerändelten Werkstücks, weisen die erste und die zweite Nut jeweils eine erste Nutenfläche, eine zweite Nutenfläche und einen Nutengrund auf. Die erste und die zweite Nutenfläche erstrecken sich jeweils von der Werkstückaußenfläche zum Nutengrund. Die Nutenflächen der ersten Nut verlaufen in einem ersten eingeschlossenen Winkel zueinander und die Nutenflächen der zweiten Nut in einem zweiten eingeschlossenen Winkel zueinander, wobei sich der zweite eingeschlossene Winkel von dem ersten eingeschlossenen Winkel wesentlich unterscheidet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich der erste und der zweite eingeschlossene Winkel um mindestens 3 Grad voneinander. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich der erste und der zweite Winkel um mindestens 10 Grad voneinander.
Bei noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform des obigen gerändelten Werkstücks weisen die dritte und die vierte Nut jeweils eine erste Nutenfläche, eine zweite Nutenfläche und einen Nutengrund auf. Die erste und die zweite Nutenfläche erstrecken sich jeweils von der Werkstückaußenfläche zum Nutengrund. Die Nutenflächen der dritten Nut verlaufen in einem dritten eingeschlossenen Winkel zueinander und die Nutenflächen der vierten Nut in einem vierten eingeschlossenen Winkel zueinander, wobei sich der vierte eingeschlossene Winkel von dem dritten eingeschlossenen Winkel wesentlich unterscheidet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich der dritte und der vierte eingeschlossene Winkel um mindestens 3 Grad voneinander. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich der dritte und der vierte Winkel um mindestens 10 Grad voneinander.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des obigen gerändelten Werkstücks ist der Nutengrund eine an der Schnittstelle zwischen der ersten und der zweiten Nutenfläche gebildete Linie.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des obigen gerändelten Werkstücks bildet die Schnittstelle der ersten Vielzahl von Nuten und der zweiten Vielzahl von Nuten auf der Werkstückaußenfläche eine Vielzahl von Pyramiden. Jede der Pyramiden weist durch die ersten Nuten gebildete erste gegenüberliegende Seitenflächen und durch die zweiten Nuten gebildete zweite gegenüberliegende Seitenflächen auf. Die Vielzahl von Pyramiden weist eine erste Pyramide und eine zweite Pyramide auf, wobei sich die zweite Pyramide hinsichtlich ihrer Konfiguration von der ersten Pyramide wesentlich unterscheidet. Bei einer Version dieser Ausführungsform bilden die einander gegenüberliegenden ersten Seiten der ersten Pyramide einen ersten Winkel dazwischen und die gegenüberliegenden ersten Flächen der zweiten Pyramide einen zweiten Winkel dazwischen, und der zweite Winkel unterscheidet sich von dem ersten Winkel um mindestens 3 Grad. Bei einer Ausführungsform unterscheidet sich der zweite Winkel um mindestens 10 Grad von dem ersten Winkel.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des obigen gerändelten Werkstücks sind die Pyramiden Pyramidenstümpfe.
Gemäß einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Formen eines Formteils mit dem obigen gerändelten Werkstück nach Anspruch 24 bereit. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Aufbringen eines formbaren Materials auf die Außenfläche des gerändelten Werkstücks; b) Aufbringen einer ausreichenden Kraft auf das formbare Material während das formbare Material mit dem gerändelten Werkstück in Kontakt ist, um auf einer mit dem gerändelten Werkstück in Kontakt stehenden ersten Fläche des formbaren Materials die Umkehrung des Musters auf der Außenfläche des gerändelten Werkstücks aufzubringen; und c) Entfernen des formbaren Materials von dem gerändelten Werkstück.
Gemäß einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen gemäß dem soeben beschriebenen Verfahren hergestellten Formkörper bereit.
Eine Vorrichtung zum Halten eines Fräsrändelrads weist Folgendes auf: einen Hauptstützkörper; eine ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Längsachse aufweisende Welle, die drehbar im Hauptkörper angebracht ist, so dass sie sich um die Längsachse drehen kann; eine Rändelradhalterung am zweiten Ende der Welle; ein Rändelrad, das drehbar an der Rändelradhalterung angebracht ist, so dass es sich um eine Rändelradachse drehen kann, wobei das Rändelrad eine Vielzahl von Zähnen auf einem Außenumfang davon aufweist. Die Rändelradachse schneidet die Wellenlängsachse in einem schrägen Winkel. Durch Drehung des Rändelrads um die Rändelradachse wird ein distaler Punkt definiert, der die am weitesten in Richtung vom ersten Ende der Welle zum zweiten Ende der Welle entfernte Stelle ist, durch die die Rändelzähne passieren. Der distale Punkt befindet sich auf der Wellenlängsachse. Die Rändelradhalterung und das Rändelrad sind so konfiguriert, dass der distale Punkt während der Drehung der Welle um die Längsachse auf der Wellenlängsachse bleibt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform schneiden sich die Wellenlängsachse und die Rändelradachse in einem Winkel von 80 bis 87 Grad.
Gemäß noch einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Rändelrad nach Anspruch 25 bereit. Das Rändelrad weist Folgendes auf: einen Körper mit einer ersten und einer zweiten gegenüberliegenden Hauptfläche und einer Außenumfangsfläche zwischen der ersten und der zweiten Hamptfläche, die jeweils einen hinterschnittenen Teil aufweisen, der zu einem positiven Spanwinkel führt; und eine Vielzahl von Zähnen, von denen zumindest einige asymmetrisch sind, an der Außenumfangsfläche. Die Vielzahl von Zähnen weist einen ersten und einen zweiten Zahn auf , und der zweite Zahn unterscheidet sich hinsichtlich seiner Konfiguration wesentlich von dem ersten Zahn.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des obigen Rändelrads weist der erste Zahn eine erste und eine zweite Seite auf, die sich von der Außenumfangsfläche erstrecken, wobei die erste und die zweite Seite dazwischen einen ersten eingeschlossenen Winkel bilden. Der zweite Zahn weist eine dritte und eine vierte Seite auf, die sich von der Außenumfangsfläche erstrecken und dazwischen einen zweiten eingeschlossenen Winkel definieren, wobei sich der zweite Winkel von dem ersten Winkel wesentlich unterscheidet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich der zweite Winkel um mindestens 3 Grad von dem ersten Winkel. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich der zweite Winkel um mindestens 10 Grad von dem ersten Winkel.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des obigen Rändelrads weist jeder der Vielzahl von Zähnen eine wesentlich unterschiedliche Konfiguration auf.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des obigen Rändelrads weist jeder der Zähne eine erste Seite und eine zweite Seite auf, die sich von der Außenumfangsfläche erstrecken. Eine jeweilige erste Kante eines der Zähne und eine jeweilige zweite Kante eines benachbarten der Zähne bilden dazwischen einen eingeschlossenen Winkel, wodurch eine Vielzahl von eingeschlossenen Winkeln zwischen jedem benachbarten Paar Zähne. gebildet wird. Ein erster der eingeschlossenen Winkel unterscheidet sich wesentlich von einem zweiten der eingeschlossenen Winkel. Bei einer bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich der erste eingeschlossene Winkel von dem zweiten eingeschlossenen Winkel um mindestens 3 Grad. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich der erste eingeschlossene Winkel von dem zweiten eingeschlossenen Winkel um mindestens 10 Grad. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist jeder der eingeschlossenen Winkel stark verschieden.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die angehängten Figuren, in denen durchweg in den mehreren Ansichten gleiche Strukturen durch gleiche Zahlen bezeichnet werden, weiter erläutert; es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Rändelwerkzeughalters der vorliegenden Erfindung;
2 eine Seitenansicht einer Rändelhalterung gemäß der vorliegenden Erfindung, die von dem Rändelwerkzeughalter nach 1 entfernt ist;
3 eine Vorderansicht in Richtung 3-3 der Rändelhalterung nach 2;
4 eine Draufsicht in Richtung 4-4 der Rändelhalterung nach 2;
5 eine Querschnittsansicht entlang Linie 5-5 der Rändelhalterung nach 2;
6 eine Ansicht der Rändelhalterung ähnlich 5, wobei an der Rändelhalterung ein Rändelrad 12 angebracht ist, das in Eingriff mit einem zylindrischen Werkstück gezeigt wird;
7 eine Ansicht des Rändelrads und des Werkstücks nach 6 in Richtung 7-7, wobei die Rändelhalterung der Übersicht halber entfernt ist;
8 eine Ansicht des in einer alternativen Ausrichtung mit dem Werkstück in Eingriff stehenden Rändelrads ähnlich 6, wobei die Rändelhalterung der Übersicht halber entfernt ist;
9 eine Ansicht des Rändelrads und des Werkstücks nach 8 in Richtung 9-9;
10 eine Ansicht des in noch einer anderen Ausrichtung mit dem Werkstück in Eingriff stehenden Rändelrads ähnlich 8;
11 eine Ansicht des Rändelrads und des Werkstücks nach 10 in Richtung 11-11;
12 eine Rückansicht des Drehantriebsanordnungsteils des Werkzeughalters nach 1 in Richtung 12-12;
13 eine Seitenansicht der Drehantriebsanordnung nach 12 in Richtung 13-13;
14 eine Teilseitenansicht einer Ausführungsform eines Rändelrads gemäß der vorliegenden Erfindung;
14A eine Teilseitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines Rändelrads gemäß der vorliegenden Erfindung;
15 eine Teilschnittansicht des Rändelrads nach 14 entlang Linie 15-15;
16 eine teilweise schematische Draufsicht, die einen Schritt eines Verfahrens zum Rändeln eines Werkstücks gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
17 eine Ansicht ähnlich 16, die einen zweiten Schritt des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
18 eine Draufsicht des durch die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf dem Werkstück aufgebrachten Musters;
19A eine Teilquerschnittsansicht des Werkstücks nach 18 entlang Linie 19A-19A;
19B eine Teilquerschnittsansicht des Werkstücks nach 18 entlang Linie 19B-19B;
20 eine schematische Teilansicht einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Herstellung eines Produktionswerkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung;
21 eine Draufsicht des Produktionswerkzeugs nach 20;
22 eine teilweise schematische Ansicht einer Vorrichtung und eines Verfahrens zur Herstellung eines Schleifkörpers mit dem Produktionswerkzeug der vorliegenden Erfindung;
23 eine Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung und eines Verfahrens ähnlich 22;
24 eine Draufsicht eines gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Schleifkörpers; und
25 eine Querschnittsansicht des Schleifkörpers nach 24 entlang Linie 25-25.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Rändelwerkzeughalter bereit, der ein Rändelrad in einem vorgeschriebenen Freiwinkel hält und eine unendliche Einstellung der Winkelausrichtung des Rändelrads durch Drehen des Rändelrads um eine Halterachse „A" gestattet, die: 1) den Kontaktpunkt des Rändelrads und der zylindrischen Werkstückfläche schneidet; 2) die Längsachse des zylindrischen Werkstücks schneidet; und 3) senkrecht zur Längsachse des Werkstücks verläuft. Der Freiwinkel β ist gleich dem Komplement des Winkels α zwischen der Drehachse C des Rändelrads und der Halterachse A (das heißt β = 90 – α). Wenn der Werkzeughalter das Rändelrad um die Werkzeughalterachse dreht, erfolgt praktisch keine Änderung des Freiwinkels, der Schnitttiefe oder der axialen Position am Werkstück. Es hat sich nur der Schrägungswinkel der erzeugten Nutenstruktur geändert. Dies gestattet Schrägungswinkel der Fräsnutenstruktur von 15° bis 165° (wobei 0° parallel zur Achse 36 des zylindrischen Werkstücks und 90° senkrecht zur Achse des Werkstücks ist, wodurch parallele Umfangsnutenstrukturen bereitgestellt werden) unter Verwendung eines Fräswerkzeugs mit geraden Zähnen (das heißt die Zähne sind parallel zur Drehachse des Rändelrads). Bei Winkeln, die kleiner sind als 15° und sich 0° annähern, nähert sich die Schneidgeschwindigkeit des Werkstücks und des Rändelrads einem rein rollenden bzw. formenden Eingriff und führt möglicherweise nicht zu annehmbaren Schneidresultaten. Für Schrägungswinkel der Nutstruktur von 15° bis 0° werden daher die Verwendung eines Rändelrads mit einer Schrägverzahnung von negativ 30° und eine Positionierung des Halters in einem Winkel, die bei 45° bis 30° der Walzenachse liegen, bevorzugt. Der erzeugte Schrägungswinkel der Struktur ist die arithmetische Summe des Halterwinkels und des Rändelradzahnwinkels (das heißt 45° – 30° = 15°, 37,8° – 30° = 7,8°, 30° – 30° = 0° usw.). Eine ähnliche Anordnung wird für Schrägungswinkel von 165° bis 180° verwendet.
Rändelwerkzeughalter
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Rändelwerkzeughalters 10 mit einem daran befestigten Rändelrad 12. Der Werkzeughalter 10 enthält eine Rändelwerkzeughalterung 14, eine Spindel 40 und eine Drehantriebsanordnung 50. Wie unten ausführlicher erörtert, bewirkt der Betrieb der Antriebsanordnung 50 eine Drehung der sich durch die Spindel 40 erstreckenden Welle 41, wodurch die Rändelhalterung 14 in die gewünschte Winkelausrichtung gedreht wird. Die Spindel 40, die Werkzeughalterung 14 und das Rändelrad 12 sind alle so bemessen und konfiguriert, dass sich das Rändelrad um die Achse A dreht, so dass sich der vorderste Punkt „X" auf dem Rändelrad 12 um die Achse A dreht, während er auf der Achse A bleibt. Des Weiteren erstreckt sich der Punkt X auf dem Rändelrad über die Vorderseite 19 der Rändelhalterung 14. Darüber hinaus wird der Werkzeughalter 10 in Position bezüglich des Werkstücks 30 gehalten, so dass die Werkzeughalterachse A die Längsachse 36 des Werkstücks schneidet und senkrecht dazu verläuft.
Eine geeignete Ausführungsform der Spindel 40 ist eine Spindel des Gilman-Modells 40008-X3M-30, die im Handel von Russell T. Gilman, Inc. mit Sitz in Grafton, Wisconsin, erhältlich ist. Es versteht sich, dass eine beliebige Spindel mit ausreichender Festigkeit und Präzision und die mit einer Rändelbefestigungsvorrichtung angebracht werden kann geeignet wäre. Die Spindel 40 umfasst eine drehbar darin angebrachte Welle 41. Die Drehachse der Welle 41 definiert die Achse A des Werkzeughalters 10. Die Antriebsanordnung 50 ist mit dem ersten Ende 42 der Welle 41 wirkverbunden, und die Rändelhalterung 14 ist mit dem zweiten Ende 43 der Welle verbunden.
Die 2 – 5 zeigen die von dem Halter 10 entfernte Rändelhalterung 14, wobei das Rändelrad 12 von der Halterung 14 entfernt ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Rändelhalterung 14 wird aus einem Schaftadapter mit NMTB-Konizität, Standardrohlingnummer 73, erhältlich von Valentine Co. mit Sitz in Troy, Michigan, gefertigt. Die Rändelhalterung 14 enthält einen hinteren Teil 15, einen sich verjüngenden Mittelteil 16 und einen vorderen Teil 17. Der sich verjüngende Teil 16 passt in einen ähnlich geformten Hohlraum am zweiten Ende 43 der Welle 41, um das Zentrieren der Rändelhalterung 14 bezüglich der Welle 41 zu unterstützen. Auf diese Weise fällt die Längsachse 20 der Rändelhalterung 14 mit der Drehachse A des Werkzeughalters 10 zusammen. In der Rückseite 18 des vorderen Teils 17 der Rändelhalterung ist eine Keilnut 21 enthalten, die mit einem am zweiten Ende 43 der Welle 41 angebrachten Keil 44 in Eingriff gebracht wird, um die Dreh- oder Winkelausrichtung der Rändelhalterung 14 bezüglich der Welle 41 zu definieren. Wie am besten in 5 zu sehen, verläuft das Wellengewindebefestigungsloch 29 in den hinteren Teil 15 der Werkzeughalterung zwecks Befestigung mit einer sich durch die Welle 41 erstreckenden entsprechenden Schraube 45. Wie in den 1 und 13 dargestellt, kann die Schraube 45 mit der Rändelhalterung 14 in Eingriff gebracht werden. Dann wird eine Sicherungsmutter 47 festgezogen, um die Halterung 14 in Eingriff mit dem zweiten Ende 43 der Welle 41 zu ziehen.
Wie am besten in den 3 und 4 zu sehen, weist der vordere Teil 17 der Rändelhalterung 14 einen Rändelradaufnahmehohlraum 23 auf. Der Hohlraum 23 wird durch die Rückwand 24, die erste und die zweite Seitenwand 25, 26 und durch die Montagefläche 27 begrenzt. Der vordere Teil 17 kann wahlweise Löcher 22 in den Seitenwänden 25, 26 aufweisen, durch die das in dem Hohlraum 23 angebrachte Rad 12 beobachtet werden kann und Kühlmittel während des Rändelns zur Spanabnahme eingespritzt werden kann.
Wie in 5 zu sehen, ist die Montagefläche 27 so ausgerichtet, dass die zur Montagefläche normale Achse C nicht senkrecht zur Achse 20 der Rändelhalterung 14 verläuft. In der Montagefläche 27 ist ein Rändelgewindebefestigungsloch 28 ausgebildet, das von einer zylindrischen Schulter 27a umgeben ist. Die Rändelradachse 74 ist in der Schulter 27a eingesetzt. Die Achse 74 enthält einen ersten Teil 78, der eng an der Schulter 27a angeordnet wird, und einen zweiten Teil 76, der auf der Montagefläche 27 aufliegt. Des Weiteren weist die Achse eine Welle 77 auf, auf der das Rändelrad 12 angebracht ist. Das Befestigungsloch 28, die zylindrische Schulter 27a und die Welle 77 sind entlang der normalen Achse C der Montagefläche 27 ausgerichtet. Die normale Achse C schneidet die Längsachse 20 der Rändelhalterung 14. Die normale Achse C definiert die Drehachse des Rändelrads 12, wenn es in der Rändelhalterung 14 angebracht ist. Die normale Achse C ist in einem Winkel α zur Längsachse 20 des Rändelhalters 14 ausgerichtet. Der Winkel α kann im Hinblick auf das verwendete Rändelrad 12 ausgewählt werden, so dass der gewünschte Freiwinkel β bereitgestellt wird, wobei β = 90 – α ist. Es haben sich Werte für den Winkel α zwischen 80° und 87° als geeignet herausgestellt, wobei für einige Rändelmuster 85° bevorzugt wird.
6 zeigt die Rändelhalterung 14 von 5 mit dem auf der Welle 77 angebrachten Rändelrad 12. Eine Kappe 70 ist oben auf dem Rändelrad 12 angebracht, durch die Kappe 70 und die Welle 77 erstreckt sich eine Schraube 72, die das Befestigungsloch 28 in der Montagefläche 27 der Rändelhalterung 14 in Eingriff nimmt. Somit dreht sich das Rändelrad 12 um die Achse C. Die Montagefläche 27 ist bezüglich der Längsachse 20 der Rändelhalterung so angeordnet, dass sich der vorderste Teil X des Rändelrads 12 auf der Längsachse 20 befindet und sich über die Vorderseite 19 der Halterung 14 hinaus erstreckt. Somit ist zu sehen, dass der Durchmesser des Rads 12, die Dicke des Rads 12 entlang der Achse C, die Dicke des ersten und des zweiten Teils 76, 78 der Achse 74, die Position der Montagefläche 27 bezüglich der Achse 20 sowie die Größe des Winkels α sämtlichst bei der Wahl einer Konfiguration berücksichtigt werden müssen, bei der der vorderste Teil X des Rändelrads 12 auf der Achse 20 angeordnet ist.
Die 4 – 7 zeigen alle die Rändelhalterung 14 in einer solchen Ausrichtung, dass die Drehachse C des Rändelrads und die Befestigungslängsachse 20 in einer senkrecht zur Längsachse 36 des Werkstücks 30 verlaufenden Ebene liegen. Der Winkel θ zwischen der Werkstückachse 36 und der Ebene der Achse C und der Achse 20 wird bei einer solchen Ausrichtung als 90° definiert. Wenn das zylindrische Werkstück 30 so ausgerichtet ist, dass seine Längsachse 36 horizontal verläuft, liegen durch die soeben beschriebene Ausrichtung des Rändelrads die Radachse C und die Längsachse 20 in einer vertikalen Ebene. Die 7-11 zeigen die Ausrichtung des Rändelrads 12 bezüglich des Werkstücks 30, wobei die Rändelhalterung 14 der Übersicht halber aus der Darstellung entfernt ist. In den 8 und 9 ist der Werkzeughalter 10 so eingestellt worden, dass er das Rad 12 derart ausrichtet, dass die durch die Radachse C und die Halterungslängsachse 20 definierte Ebene in einem stumpfen Winkel θ zur Werkstückachse 36 liegt. In den 10 und 11 ist der Werkzeughalter 10 so eingestellt worden, dass er das Rad 12 so ausrichtet, dass die Achse C und die Achse 20 in einer Ebene liegen, die in einem spitzen Winkel Θ zur Achse 36 des Werkstücks liegt.
1, 12 und 13 zeigen die Drehantriebsanordnung 50. Eine Befestigungsplatte 51 ist über Schrauben 62 und Unterlegscheiben 64 mit der Rückseite der Spindel 40 verschraubt. Am ersten Ende 42 der Welle 41 ist eine Hülse 46 angebracht. Die Hülse 46 weist einen am ersten Ende 42 der Welle 41 befestigten Ringteil 46a und einen hohlen zylindrischen Teil 46b auf, der sich davon nach hinten weg erstreckt. Zwischen dem Ringteil 46a der Hülse und der Platte 51 befindet sich eine Uhrfeder 48 zum Vorbelasten der Welle 41 in einer Richtung, um die Beseitigung von Spiel zu unterstützen.
Das Zahnrad 52 ist über dem zylindrischen Teil 46b der Hülse 46 neben dem Ringteil 46a der Hülse 46 angeordnet und so am Ringteil 46a befestigt, dass eine Drehung des Zahnrads eine Drehung der Hülse 46 und der Welle 41 bewirkt. Das Zahnrad 52 weist eine Vielzahl von sich nach außen erstreckenden Zähnen auf. Eine Halterung 54 ist zum Beispiel durch Schweißen oben an der Befestigungsplatte 51 befestigt und stützt das Schneckenrad 53. An einem Ende des Schneckenrads 53 ist ein Wellenteil 53a ohne Gewinde am Griff 55 befestigt, um das Schneckenrad manuell zu drehen. Kein Gewinde aufweisende Teile 53a des Schneckenrads 53 sind drehbar in Löchern durch sich rückwärtig erstreckende Teile 54a der Halterung 54 befestigt. Das Schneckenrad 53 steht mit den Zähnen am Schneckenrad 52 in Eingriff, so dass eine Drehung des Griffs 55 eine Drehung des Zahnrads bewirkt, wodurch die Welle 41, die Rändelhalterung 14 und das Rändelrad 12 gedreht werden.
An der nach hinten weisenden Fläche des Zahnrads 52 ist eine kalibrierte Drehskale 59 befestigt. An der Befestigungsplatte 51 ist eine damit zusammenpassende festgelegte kalibrierte Positionsskale 63 befestigt (der Übersicht halber aus 1 entfernt), die sich neben der kalibrierten Drehskale 59 befindet. Vorzugsweise weist diese Anordnung eine 360°-Skale auf, die mit einem Nonius auf 6 Bogenminuten ablesbar ist.
Eine Anschlagshalterung 56 ist zum Beispiel durch Schweißen an einer Seite der Befestigungsplatte 51 befestigt. Ein Plattenteil 56a der Anschlagshalterung erstreckt sich nach hinten zur nach vorne weisenden Seite des Zahnrads 52. Ein erster Armteil 56b der Anschlagshalterung erstreckt sich nach hinten über das Zahnrad 52 hinaus. Ein zweiter Armteil 56c der Anschlagshalterung erstreckt sich vor der nach hinten weisenden Fläche des Zahnrads 52 und überlappt diese. Eine Einstellschraube 58 ist in einem Gewindeloch im Ende des zweiten Arms 56c der Anschlagshalterung angebracht. Ein Anschlagsglied 57 ist zum Beispiel durch Schrauben 66 und Unterlegscheiben 68 an der Anschlagshalterung 56 befestigt. Das Anschlagsglied weist einen ersten Teil 57a, der sich nach hinten über das Zahnrad hinaus erstreckt, und einen freitragenden Armteil 57b, der sich von dem Teil 57a neben der nach hinten weisenden Fläche des Zahnrads 52 und diese überlappend erstreckt, auf. Der freitragende Arm 57b ist so positioniert, dass sich sein freies Ende zwischen der Einstellschraube 58 und der Fläche des Zahnrads 52 erstreckt. Wenn die Einstellschraube gelöst und außer Eingriff mit dem freitragenden Arm ist, bewirkt eine Drehung des Griffs 55 und des Schneckenrads 53 eine Drehung des Zahnrads 52, wodurch die Welle 41 gedreht wird. Wenn sich die Welle in der gewünschten Drehausrichtung befindet, kann die Einstellschraube 58 festgezogen werden, um den freitragenden Arm 57b gegen die Fläche des Zahnrads zu drücken, wodurch das Risiko einer unbeabsichtigten Drehung der Welle 41 auf ein Minimum reduziert wird.
Die Schraube 45 erstreckt sich durch die Welle 41 zum Eingriff mit dem Gewindeloch 29 in der Rändelhalterung 14. Nach dem Festziehen der Schraube 41 in die Rändelhalterung wird die Sicherungsmutter 47 festgezogen, um die Schraube und die Rändelhalterung nach hinten zu ziehen und dadurch den Sitz der Rändelhalterung 14 in dem zweiten Ende 43 der Welle 41 zu befestigen.
Die soeben beschriebene bevorzugte Ausführungsform der manuellen Drehantriebsanordnung 50 kann stattdessen auch eine beliebige geeignete manuelle oder automatische Positionieranordnung sein. Zum Beispiel könnte es sich bei der Drehantriebsanordnung 50 um ein hochgenaues motorbetriebenes, rechnergesteuertes Positioniersystem handeln. Des Weiteren können sich handelsübliche Drehschaltköpfe für den Rändelwerkzeughalter eignen.
Rändelwerkzeug
Der oben beschriebene Rändelwerkzeughalter kann vorteilhafterweise mit einem beliebigen Rändelrad 12, einschließlich handelsüblichen Fräsrändelrädern, verwendet werden.
In den 14 und 15 wird eine Ausführungsform eines Fräsrändelradwerkzeugs 12 dargestellt. Das Rändelrad 12 weist entlang seiner äußeren Arbeitsfläche eine Vielzahl von Zähnen 44 auf. Jeder Zahn 44 enthält einen Schneidsteg 48 und eine erste und eine zweite Seitenfläche 52. Ein von einer Seitenfläche 52 von jedem benachbarten Zahn 44 begrenztes Tal 50 befindet sich zwischen jedem Paar benachbarter Zähne 44. Des Weiteren weist jedes Rad 12 einander gegenüberliegende Hauptflächen 67 auf (von denen nur eine dargestellt ist). Wo die Seitenflächen 52 der Zähne 44 auf die Hauptfläche 67 treffen, wird eine Kante 46 gebildet. Zum Fräsrändeln wird bevorzugt, dass die Hauptfläche 67 des Rändelrads eine Hinterschneidung 65 aufweist. Die Hinterschneidung 65 ist als eine bogenförmige Fläche dargestellt, die sich um den vollen Umfang des Rads 12 erstreckt. Die Hinterschneidung liefert einen verbesserten Steigungswinkel, wenn das Rändelrad mit der Außenfläche des Werkstücks in Eingriff steht. Als Alternative dazu, kann die Hinterschneidung 65 flach sein oder irgendeine andere Konfiguration aufweisen, um einen Null- oder positiven Steigungswinkel bereitzustellen. Die Hinterschneidung 65 erstreckt sich vorzugsweise in einer Richtung zum Steg 48 und weit genug vom Steg 48 nach innen, um die Schneideigenschaften der Kante 46 und der Hauptfläche 67, vorzugsweise zumindest bis zum Zahntal 50, zu verbessern. Ein positiver Steigungswinkel gewährleistet ein effizienteres Schneiden als ein Null- oder negativer Steigungswinkel und verringert auch das Gratausmaß des Werkstücks.
Der hier beschriebene erfindungsgemäße Rändelwerkzeughalter 10 eignet sich besonders gut zur Verwendung mit Rändelrädern, die Zähne mit unterschiedlichen Konfigurationen innerhalb eines einzigen Rändelrads aufweisen. Der Rändelwerkzeughalter 10 kann das Rändelrad 12 in unendlich variablen Winkelausrichtungen ausrichten, während er den vordersten Punkt des Rändelrads an der gleichen Stelle angeordnet hält. Dies gestattet die Verwendung von Rändelrädern 12, die mehrere Zahnkonfigurationen an einem einzigen Rändelrad aufweisen. Die Zahnkonfigurationsvariation kann die Zahnhöhe, Zahnbreite, Zahnform, den Abstand zwischen benachbarten Zähnen, die Verwendung von nicht symmetrischen Zähnen oder irgendeinen anderen gewünschten Parameter betreffen.
Die Zahnkonfiguration kann sich um den Umfang des Rads herum vollkommen ändern, das heißt, es sind keine zwei Zähne identisch. Als Alternative kann eine „Folge" einer Anzahl von Zähnen mit verschiedenen Konfigurationen in der Folge eine ganze Zahl von „N" mal um den Rändelradumfang herum wiederholen. Wenn der Zahn am Beginn jeder solchen Wiederholfolge als „Zahn 1" bezeichnet wird und die durch diesen Zahn geschnittene Nut im Werkstück als „Nut 1" bezeichnet wird, ist zu sehen, dass ein sauberes Nutenmuster in verschiedenen Konfigurationen, die den Zahnkonfigurationen entsprechen, erzeugt wird, wenn beim Rändeln ein „Zahn 1" immer in eine „Nut 1" eintritt.
Bei einem bevorzugten Rändelrad, das in 14A dargestellt wird, variiert seine Zahnkonfiguration durch Schneiden verschiedener Winkel ϒ₁, ϒ₂, ϒ₂, ...ϒ_N, des Tals 50 zwischen den Zähnen 44 des Rändelrads 12. Zumindest einige der Zähne 44 sind vorzugsweise asymmetrisch. Zum Beispiel ein zwischen benachbarten 90°- und 70°-Tälern gebildeter Radzahn würde asymmetrisch sein. Die am Werkstück zwischen Nuten gebildeten Spitzenwinkel der Stege sind fast gleich den Winkeln ϒ des „Tals" zwischen den Zähnen am Rändelrad.
Obgleich in der Darstellung die Rändelzähne 44 bei 48 einen Steg und bei 50 ein Tal bilden, können bei der vorliegenden Erfindung Rändelzähne mit anderen Profilen vorteilhaft verwendet werden. Anstatt bei Steg 48 und Tal 50 zu einer Linie oder Kante zu kommen, können zum Beispiel der Steg 48 oder das Tal 50 eine flache Fläche, eine abgerundete Fläche oder eine andere Kontur aufweisen. Des Weiteren können die Zahnseitenflächen 52 gekrümmt sein oder andere Profile aufweisen, anstatt planar zu sein. Diese alternativen Zahnkonfigurationen eignen sich besser zur Verwendung mit Fräsrändeln als Formrändeln, obgleich unter gewissen Bedingungen mit Formrändeln bestimmte Konfigurationen verwendet werden können.
Das Rändelrad sollte aus einem Material bestehen, das fest genug ist, im Gebrauch Absplittern und Brechen zu widerstehen, und das im Gebrauch eine ausreichend scharfe Schneidkante aufrechterhält. Geeignete Rändelräder sind aus Werkzeugstahl und Wolframkarbid hergestellt worden, wobei Wolframkarbid einen verbesserten Verschleißwiderstand aufweist. Ein verschleißfester Überzug wie zum Beispiel TiN, TiCN und CrN kann nützlich sein.
Beispiel 1
Ein Beispiel eines Rändelrads 12 wurde wie folgt durchgeführt. Mehrere dreieckige Zähne wurden unter Verwendung von herkömmlichen Funkenerosionsvorgängen in ein rundes Rad mit einem Anfangsdurchmesser von 3,2334 cm (1,273 Inch) geschnitten. Der Durchmesser des zum Schneiden der Zähne verwendeten Drahtes betrug 30 Mikrometer (0,0012 Inch). Die Zähne lagen in einer Pseudozufallsfolge verschiedener Zahngrößen vor. Die Folge wiederholte sich jedes Viertel (90°) des Rads, das heißt, das Muster wiederholte sich 4 Mal um das Rad. Das Rändelrad bestand aus Wolframkarbid, Typ CD-636.
Die nachfolgende Tabelle ist eine Zusammenfassung der Details für das Pseudozufallsmuster der Zähne. Das Muster bestand aus vierundvierzig Zähnen mit jeweils einer Höhe von 0,0356 cm (0,014 Inch), gemessen radial vom Zahnfuß zur Spitze. Die Konfiguration der Zähne wird mit Bezug zum Winkel und zur Breite der in das Rändelrad geschnittenen „Täler" definiert. Der in der Tabelle angegebene „Winkel" ist der Winkel des durch Drahterosion in das Rad geschnittenen Tals. Die in der Tabelle angegebene „Breite" ist der Umfangsabstand Spitze-zu-Spitze zwischen benachbarten Zähnen, gemessen am jeweiligen Mittelpunkt jedes Zahns.
Tabelle 1
Die Rändelradzähne von Beispiel 1 sind oftmals asymmetrisch. Zum Beispiel würde der zwischen benachbarten 90°- und 70°-Tälern gebildete Radzahn einen Halbwinkel auf der 90°-Nutenseite von 43,73° und einen Halbwinkel auf der 70°-Nutenseite von 34,10° aufweisen (diese Halbwinkel sind aufgrund der Krümmung des Rads nicht einfach 45° bzw. 35°). Die Spitzenwinkel der am Werkstück zwischen Nuten gebildeten Stege sind fast gleich der „Tal"-Winkel zwischen den Zähnen am Rändelrad.
Rändelverfahren
Ein bevorzugtes Verfahren zum Rändeln eines Werkstücks wird in den 16 und 17 dargestellt, in denen der Werkzeughalter 10 entfernt worden ist, um die Position des Rändelrads 12 bezüglich des Werkstücks 30 deutlicher darzustellen. Die 16 und 17 sind beide Draufsichten des Werkstücks 30 und des Rändelrads 12. Anfangs wird eine erste Vielzahl von Nuten 38 mit Spitzen 39 geschnitten. Der Werkzeughalter 10 ist so eingestellt, dass er die durch die Rändelradachse C und die Rändelhalterungsachse 20 definierte Ebene in einem stumpfen Winkel θ ausrichtet. Der Werkzeughalter ist so positioniert, dass die Achse A die Längsachse 36 des Werkstücks schneidet und senkrecht dazu verläuft. Das Fräsrändelrad 12 greift bis zu einer gewünschten Schnitttiefe in die Werkstückfläche 34 ein, wenn das Werkstück in die gezeigte Richtung gedreht wird, und das Rändelrad wird in Querrichtung in die gezeigte Richtung bewegt. Die erste Vielzahl von Nuten 38 weist einen ersten Schrägungswinkel θ₁ auf, und die jeweiligen Nutenquerschnitte entsprechen allgemein der Form des Tals 50 zwischen den Zähnen 44 des Rändelrads.
Dann wird die Drehmaschine angehalten, und der Werkzeughalter wird so eingestellt, dass er die durch die Achse C und die Achse 20 definierte Ebene in einem spitzen Winkel θ bezüglich der Werkstückachse 36 ausrichtet. Das Fräsrändelrad 12 greift bis zu einer gewünschten Schnitttiefe in die Werkstückfläche 34 ein, wenn das Werkstück in die gezeigte Richtung gedreht und das Rändelrad in Querrichtung in die gezeigte Richtung bewegt wird. Diese zweite Vielzahl von Nuten 38' mit Spitzen 39' weist einen zweiten Schrägungswinkel θ₂ gegenüber Schrägungswinkel θ₁ auf. Die jeweiligen Nutenquerschnitte entsprechen allgemein der Form des Tals 50 zwischen den Zähnen 44 am Rändelrad. Durch Kreuzung einer ersten und einer zweiten Vielzahl von Nuten wird eine Vielzahl von Pyramiden gebildet.
Die Schrägungswinkel θ₁ und θ₂ können gleich und entgegengesetzt sein, wobei dann das Pyramidenmuster in Umfangsrichtung des Werkstücks ausgerichtet ist. Als Alternative dazu können die Schrägungswinkel θ₁ und θ₂ einen unterschiedlichen Wert und ein entgegengesetztes Zeichen aufweisen, wobei dann das Pyramidenmuster nicht in Umfangsrichtung des Werkstücks ausgerichtet ist. Weitere Details für die Auswahl von θ₁ und θ₂ zwecks Bereitstellung einer gewünschten Ausrichtung des Pyramidenmusters sind aus der am 10. April 1997 veröffentlichten WIPO internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 97/12727 „Method and Apparatus for Knurling a Workpiece, Method of Molding an Article With Such Workpiece und Such Molded Article", Hoopman et al., bekannt.
Falls gewünscht, können in den bestehenden Nuten optionale Reinigungsschnitte wiederholt werden, um für eine zusätzliche Schnitttiefe zu sorgen oder das Profil der Nuten zu säubern.
Bei dem hier offenbarten Werkzeughalter 10 wird die Synchronisation der Rändelwerkzeugfolge mit der erzeugten Struktur am Werkstück durch Schrägungswinkeleinstellungen erreicht. Zum Beispiel kann erwünscht sein, ein Werkstück 30 mit einem Durchmesser „D" mit einem Rändelrad 12 mit einem Durchmesser „d" mit variierender Zahnformfolge, die sich „N" mal um den Umfang des Rändelrads 12 wiederholt, zu rändeln. Wenn das Rändelrad 12 durch den Halter 10 so positioniert wird, dass die Drehachse C des Rändelrads in einem Winkel von 90° zur Längsachse 36 des Werkstücks liegt, übt das Werkstück keine Drehbewegung auf das Rändelrad aus. Wenn der Halter 10 in Axialrichtung entlang der Fläche des Werkstücks bewegt wird, wird ein Muster von Umfangsnuten erzeugt, wobei sich die Zahnfolge in einem Axialabstand von: (π × d) : Nwiederholt.
Wenn die Achse C des Rändelrads 12 parallel oder bei 0° zur Werkstückachse 36 angeordnet ist, wird das Rändelrad 12 durch die Walze in reiner Drehung mit einer Drehgeschwindigkeit angetrieben, die das D/d-Fache der Drehgeschwindigkeit des Werkstücks entspricht. Bei Rändelachsenpositionen zwischen 0° und 90° gibt es verschiedene Winkelpositionen θ, bei denen der Wert: (D × N × Kosinus (θ)) : deine ganze Zahl ist. In der Nähe dieser theoretischen Positionen wird sich die Rändelradfolge bei einer ganzen Zahl von Wiederholungen ordnungsgemäß ausrichten, so dass ein Zahn 1 einer der Zahnfolgen in einer Nut 1 in der Nutenfolge, die in der Oberfläche des Werkstücks erzeugt wird, ausgerichtet wird.
Tabelle 2 zeigt den Wert von θ zur Bereitstellung der gewünschten Menge von Wiederholungen der Zahnfolge. Dies wird für ein Werkstück mit einem Durchmesser von 8,0545 Inch und ein Rändelrad mit einem Durchmesser von 1,272 Inch und für Rändelräder mit einer, zwei und vier Zahnfolgenwiederholungen berechnet.
Tabelle 2
Das durch das soeben beschriebene Verfahren und die soeben beschriebene Vorrichtung gebildete Rändelmuster wird in 18 dargestellt. Das Rändelmuster umfasst eine Vielzahl von Pyramiden 60, die aus dem Werkstück 30 vorstehen. Die Pyramiden weisen jeweils einen Scheitel 62, sich vom Scheitel erstreckende Seitenränder 64, Basisränder 68 und durch die Seitenränder und Basisränder begrenzte Seitenflächen 66 auf. Ein Querschnitt der Pyramiden 60 wird in den 19A und 19B dargestellt. Wie in den 18 und 19A gezeigt, weist die erste Vielzahl von Nuten 38 Nutenseiten 66a auf. Wie in den 18 und 19B gezeigt, weist die zweite Vielzahl von Nuten 38' Nutenseiten 66b auf. Die Schnittstelle der beiden Nutensätze bildet somit Pyramiden 60. Jede Pyramide weist ein Paar einander gegenüberliegender Seiten 66a, die durch benachbarte erste Nuten gebildet werden, und ein Paar einander gegenüberliegender Seiten 66b, die durch benachbarte zweite Nuten gebildet werden, auf. Es ist zu sehen, dass die Pyramiden, die zwischen den durch die Rändelzähne 41 geschnittenen sich schneidenden Nuten verbleiben, bei einem kleinen Wert des Freiwinkels β einen Winkel ϒ_N aufweisen, der im Wesentlichen gleich dem Talwinkel ϒ_N zwischen den Rändelzähnen ist.
Das hier dargestellte Rändelmuster weist Pyramidenscheitel auf, die bei 62 zu einem durch die Schnittstelle der Spitzen 39 und 39' gebildeten Punkt kommen. Dies ist der Fall, wenn die Fräsradzähne 44 mit ihrer ganzen Tiefe in das Werkstück eingreifen und das Werkstück an der Kante 46 vom Steg 48 zum Tal 50 in ihrem ganzen Ausmaß in Eingriff nehmen. Mit der vorliegenden Erfindung können auch andere Muster erreicht werden. Zum Beispiel Pyramidenstümpfe, das heißt es können Pyramiden mit flachen Oberseiten anstatt der zugespitzten Scheitel 62 hergestellt werden, indem die Rändelzähne 44 nur über einen Teil ihrer Tiefe in Eingriff gebracht werden. Durch Ineingriffbringen der Zähne 44 auf eine Teiltiefe, gelangt die Kante 46 nicht über die ganze Strecke zum Zahntal 50 in Eingriff. Dadurch verbleibt ein Teil der Außenfläche 34 des Werkstücks 30 in seinem ursprünglichen, ungerändelten Zustand und versieht die Pyramiden 60 mit einer kegelstumpfförmigen Oberseite. Weiterhin ist es möglich, Zähne 44 zu verwenden, die so konfiguriert sind, dass sie am Tal 50 flache oder gekrümmte Lücken zwischen den Zähnen 44 oder bei 48 eine flache oder eine andere Konfiguration statt eines Kantenstegs aufweisen.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Rändeln eines Werkstücks gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf das folgende Beispiel beschrieben.
Beispiel 2
Das Werkstück, eine Stahlwalze mit einem Durchmesser von 20,32 cm (8 Inch) und einer Länge von 91,4 cm (36 Inch) wurde mit 0,127 cm (0,050 Inch) Kupfer mit einer Vickers-Härte von 210 bis 230 plattiert. Die Walze wurde in einer Drehmaschine von Lodge & Shipley angebracht und auf einen Durchmesser von 20,562+0,0005 cm (8,0952+0,0002 Inch) planbearbeitet. Dann wurden an jedem Ende Schultern mit einer Tiefe von 0,2794 mm (0,0110 Inch) und einer Breite von 3,81 cm (1,5 Inch) in die Werkstückfläche geschnitten, mit einer zum Außendurchmesser der Walze nach oben verlaufenden Neigung von 1:10 Konizität.
Ein Rändelwerkzeughalter 10, wie mit Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsform oben beschrieben, wurde am Querschlitten der Drehmaschine installiert. Die Achse A des Werkzeughalters 10 schnitt die Längsachse 36 des Werkstücks und verlief senkrecht dazu. Eine Rändelhalterung 14 mit der Achse C für die Befestigung des Rads in einem Winkel α von 85° wurde auf der zweiten Seite 43 der Welle 41 angebracht. Eine Ableseskale wurde dazu verwendet, die durch die Rändelradachse C und die Rändelhalterungsachse 20 definierte Ebene vertikal einzustellen. Der auf dem Nonius 59, 60 in dieser Ausrichtung abgelesene Winkel betrug 280°36'. In der verbleibenden Beschreibung wird diese Ausrichtung als ein Winkel θ von 90 Grad betrachtet. Wenn der Werkzeughalter 10 zur Drehung der Rändelhalterung 14 im Uhrzeigersinn (mit Blickrichtung von der Rückseite des Werkzeughalters 10 zum Werkstück weisend) um 90 Grad eingestellt werden würde, so dass die durch die Achse C und die Achse 20 definierte Ebene horizontal ist, würde der Nonius 190°36' zeigen. In der verbleibenden Besprechung wird solch eine Ausrichtung als ein Winkel θ von Null Grad betrachtet. Positive Winkel verlaufen entgegen dem Uhrzeigersinn mit Blickrichtung von rückwärtig des Werkzeughalters 10 auf das Werkstück.
Das Rändelrad 12 von Beispiel 1 wurde in der Rändelhalterung 14 angebracht. Drei benachbarte Täler von 90° am Ende jeder der vier Zahnfolgen stellten einen Weg bereit, die Drehung des Rändelrads zu schalten. Die Anordnung der Folge wurde weiterhin durch Aufbringen eines kleinen Tintenpunkts auf das Rändelrad zur Markierung der Position des Mittelpunkts eines der drei 90°-Täler in jeder der vier Folgen um den Umfang herum erleichtert.
Es war erforderlich, die Winkelausrichtung der Werkzeughalterung 10 und dadurch den Winkel der Rändelraddrehachse C einzustellen, um eine ganze Zahl von Wiederholungen der Einviertelumfangs-44-Zahn-Folge im Rändelrad 12 um den Umfang der Walze herum bereitzustellen. Der zum Erhalt der genauen Musterübereinstimmung zwischen dem „Zahn 1" am Rad und der „Nut 1" an der Fläche der Walze erforderliche Winkel θ wurde in einem Iterationsvorgang wie folgt bestimmt. Da der Umfang des Rändelrads 12 10,16 cm (4,0 Inch) betrug, betrug die Umfangslänge einer Folge 2,54 cm (1,0 Inch).
Die erste Schnittrichtung sollte 21 Wiederholungen der 44-Zahn-Folge um den Umfang der Walze herum erzeugen, wobei die Zähne eine Höhe von 0,036 cm (0,014 Inch) aufwiesen. Die beabsichtigte Schnitttiefe der Zähne betrug 0,033 cm (0,013 Inch). Die Zahnspitzen würden deshalb an einem Walzendurchmesser D von: 20,562 – (2 × 0,033) = 20,492 cm (8,095 – (2 × 0,013) = 8,069 Inch) liegen.
Die Länge der Wiederholfolge, gemessen in Umfangsrichtung der Walzenfläche, an der gewünschten Schnitttiefe zur Bereitstellung von 21 Wiederholungen entlang dem Umfang war
Die Länge der Wiederholung wurde durch Änderung des Winkels des Rändelrads bezüglich der Achse der geschnittenen Walzenfläche eingestellt. Wenn das Rändelrad bei θ = Null (Achse C parallel zur Walzenachse) gelassen werden würde, würde das Rändelrad ein Muster in die Walzenfläche prägen, das identisch mit dem des Rändelrads wäre. Die Wiederholung würde 1,0 Inch betragen, die Umfangslänge einer Folge am Rändelrad 12. Wenn die Achse C des Rändelrads bei θ = 90° eingestellt wäre, würde sich das Rändelrad nicht drehen, somit würde die Wiederholungsstrecke unendlich sein. Bei einem Rändelrad, das sich vom Reitstock zum Spindelstock der Drehmaschine parallel zur Längsachse der Walze bewegt, kann der zur Erzeugung von Zwischenwiederholungsstrecken erforderliche Rändelradwinkel θ auf
geschätzt werden, wobei K die Wiederholstrecke des Rändelrads und R die Wiederholstrecke des Walzenflächenumfangs ist. Wenn hier K = 1,0 Inch und R = 1,207 Inch, dann beträgt θ = 145°56'. Somit wurde der Werkzeughalter so eingestellt, dass die Achse C des Fräsrads bei θ = 145°56' liegt.
Dann wurde das Rändelrad 12 auf ca. 0,3175 cm (1/8 Inch) vom Außenrand der zuvor geschnittenen Schulter am Reitstockende der Walzenfläche bewegt. Der Drehmaschinenschlitten wurde auf einen Vorschub von 0,0635 cm/Umdrehung (0,0025 Inch/Umdrehung) eingestellt und rückte den Vorschub ein. Das Werkstück wurde von Hand gedreht, bis der Schlitten tatsächlich begann, zum Spindelstock vorzurücken. Bei angehaltener Drehmaschine wurde der Querschlitten langsam von Hand vorgerückt, bis das Rändelrad die Werkstückfläche berührte, und wurde dann um zusätzliche 0,0051 cm (0,002 Inch) vorgerückt.
Das Werkstück wurde etwas weniger als eine Umdrehung gedreht, um eine einzige Reihe von Nuten mit einer Tiefe von 0,0051 cm (0,002 Inch) in die Werkstückfläche zu schneiden. Das Nutenmuster wurde mit einem 4×-Handvergrößerungsglas optisch untersucht. Zur Ermittlung des Beginns und des Endes der 44-Zahn-Folge wurden die drei benachbarten, (durch die drei benachbarten Zähne, die den drei 90°-Tälern im Rändelrad entsprechen, erzeugten), gleichmäßig beabstandeten Nuten im Werkstück lokalisiert, und der Mittelpunkt dieser drei Nuten wurde mit einem Bleistift markiert. Dies wurde für drei aufeinander folgende Zahnfolgen wiederholt. Als nächstes wurde ein Marker mit breiter Spitze verwendet, um die Nutenreihe in dem Bereich, in dem die Nutenfolgen markiert wurden, zu schwärzen. Dann wurde das Werkstück von Hand um zusätzliche 360° gedreht, so dass eine zweite Nutenreihe umfangsmäßig überlagert, aber um 0,0064 cm (0,0025 Inch) von der ersten Nutenreihe nach links versetzt geschnitten wurde. Das durch die drei 90°-Täler auf der zweiten Reihe erzeugte Muster wurde lokalisiert und mit einem Bleistift markiert. Dieser zweite Satz von Nuten ließ sich leicht erkennen, da er frisch geschnitten und nicht geschwärzt war. Ein Vergleich mit der Position der Markierungen auf der ersten und zweiten Nutenreihe zeigte, dass die Nutenfolge ca. 2 Nuten zu lang war, um eine Musterübereinstimmung zu ergeben.
Das Rändelrad wurde nach hinten aus dem Werkstück ausgerückt und der Schlitten um ca. 0,3175 cm (1/8 Inch) am zuvor geschnittenen Bereich vorbei zu einem neuen Bereich des Werkstücks bewegt. Der Werkzeugwinkel θ wurde um 0°12' vergrößert, und der obige Vorgang wurde wiederholt. Es wurde festgestellt, dass das Nutenmuster um ca. 1 Nut zu lang war. Der Werkzeughalterwinkel θ wurde um zusätzliche 0°12' vergrößert, und der obige Vorgang wurde wiederholt. Es wurde festgestellt, dass das Nutenmuster um ca. eine 3/4-Nut zu kurz für eine Musterübereinstimmung war.
Die Drehmaschinengeschwindigkeit wurde auf 100 U/min eingestellt und Energie angelegt. Nach Vorschub von ca. 0,6350 cm (1/4 Inch) wurde die Drehmaschine angehalten, ohne den Schlittenvorschub auszurücken. Eine Untersuchung des geschnittenen Bereichs zeigte sauber geschnittene Nuten mit genau 21 Wiederholungen der 44-Zahn-Einviertel-Rändelradfolge. Die Drehmaschine wurde neu gestartet und Schneiden weitergeführt, bis ihr Vorschub ca. 0,6350 cm (1/4 Inch) an der Rampe des Schulterbereichs vorbei betrug. Nach dem Anhalten der Drehmaschine zeigte eine Untersuchung der Nutenstruktur mit einem Roll-Mikroskop, dass der Schnitt die volle Tiefe hatte, wie durch das Fehlen einer Abflachung oben auf den Stegen zwischen den Nuten angezeigt. Das Schneiden wurde quer über die Fläche der Walze über weitere ca. 2,54 cm (1 Inch) weitergeführt, bevor wieder angehalten wurde.
Die Nutenstruktur sah trotz zweier fehlender Zahnflächen, die weggesplittert waren, weiterhin gut aus. Die ungleiche Anzahl von Wiederholungen (21) bedeutete, dass sich die entsprechenden Zähne in jeder der vier Wiederholfolgen im Rändelrad kombinierten, um eine einzelne Nut zu schneiden. Das heißt, jede bestimmte „Nut 1" in der Werkstückfläche wurde sequentiell durch einen „Zahn 1" von jeder der vier Wiederholrändelradfolgen in Eingriff genommen. Dies hilft dabei, jeglichen Defekt zu überwinden, der sich aus einem fehlenden oder gebrochenen Zahn ergeben haben könnte.
Die Drehmaschine wurde neu gestartet und der Schnitt, bis ca. 1,27 cm (1/2 Inch) vor Erreichen der Schulter am Spindelstockende der Walze weitergeführt. Die Nutenstruktur auf der Walze schien noch akzeptabel zu sein. Zu diesem Zeitpunkt hatte das Rändelrad 22 beschädigte Zähne, aber nur die zwei Zähne, die zuvor als stark abgesplittert beobachtet worden waren, fehlten vollständig. Die Durchschnittsnutentiefe am Spindelstockende betrug 0,0318 cm (0,0126 Inch). Die Durchschnittsnutentiefe in der Mitte und am Spindelstockende der Walze betrug 0,0315 cm (0,0124 Inch), was auf nur geringfügigen Rändelradverschleiß hindeutete. Die Werkstückoberfläche wies nun eine erste Vielzahl von parallelen Nuten 38 mit Stegen 39 auf, die in einem ersten Schrägungswinkel θ₁ ausgerichtet waren, wie in 16 dargestellt.
Die Rändelhalterung 14 wurde entfernt, das Rändelrad 12 wurde entfernt und wieder eingesetzt, wobei die gegenüberliegende Hauptfläche nach oben wies, um eine frische Schneidfläche freizulegen, und dann wurde die Rändelhalterung neu installiert. Wenn die durch die Rändelradachse C und die Rändelhalterungsachse 20 definierte Ebene vertikal verlief, zeigte der Noniuswinkel nun 280°48', was darauf hindeutete, dass sich der definierte Null-Werkzeugwinkel zu einer Noniusanzeige von 190°48' verschoben hatte. Diese Noniusanzeige wurde nun als θ = 0° erachtet.
Es wurde eine zweite Vielzahl von Nuten 38' mit Stegen 39', die in einem zweiten Schrägungswinkel θ₂ in entgegengesetzter Richtung von θ₁ ausgerichtet waren, durch Schneiden eines Musters von 15 Wiederholungen der 44-Zahn-Folgen in der Walzenfläche mit Beginn am Spindelstockende gebildet. Die Wiederholstrecke von 15 Folgen in Umfangsrichtung des Werkstücks betrug
Bei einem sich vom Spindelstock zum Reitstock bewegenden Rändelrad wird der Rändelradachsenwinkel θ durch
gegeben, bei K = 1,0 Inch und R = 1,69 Inch, θ = 53°43'.
Da die vorherige Schätzung zu niedrig war, erwartete man, dass ein ähnlicher Fehler diese Schätzung zu hoch machen würde. Der Werkzeughalter 10 wurde auf θ = 53°12' eingestellt, und der Schlitten wurde auf einen Vorschub von 0,0064 cm/Umdrehung (0,0025 Inch/Umdrehung) vom Spindelstock zum Reitstock eingestellt, und der gleiche zuvor beschriebene Nutenmusterübereinstimmungsvorgang wurde verwendet. Das Nutenmuster war um 4 1/2 Zähne zu kurz. Der Vorgang wurde bei um 0°30' vergrößertem Werkzeugwinkel θ wiederholt. Nach den Beobachtungen war das Muster um ca. 2 1/2 Zähne zu lang. Der Werkzeugwinkel wurde um 0°12' reduziert, was zu einer Musterübereinstimmung führte, die um ca. 1 Zahn zu kurz war. Die Drehmaschine wurde für einen Schnitt von ca. 1/4 Inch bei 100 U/Minute betrieben, aber die Rändelradfolge richtete sich nicht auf die Werkstückflächennutenfolge aus. Stattdessen hinterließ sie eine knorrige, zerfressene Fläche. Das Werkzeug wurde wieder zu einer frischen Fläche bewegt und der Werkzeugwinkel um 0°06' vergrößert. Es wurde eine um ca. 1 Zahn zu lange Folgenübereinstimmung beobachtet. Die Drehmaschine wurde gestartet und Schnnit wieder ca. 1/4 Inch des Musters, aber die Folge wollte sich nicht ausrichten. Der Rändelradhalter wurde zu einem neuen Bereich auf dem Werkstück bewegt und um 0° 03° reduziert. Die beobachtete Musterübereinstimmung war ca. 1 Zahn zu lang. Nach einem kurzen, angetriebenen Lauf, richtete sich die Folge nicht aus. Die Schnitttiefe wurde um 0,0005 verkleinert, wobei man annahm, dass der etwas größere Walzendurchmesser für die Rändelzähne (und somit die vergrößerte Länge des Musters) ein Ausrichten der Folge gestatten würde. Jedoch wurde keine Ausrichtung der Folge erreicht. Zu diesem Zeitpunkt gab es keine verbleibende hinterschnittene Fläche an der Schulter, an der mehr Anläufe unternommen werden konnten.
Das Rändelrad wurde nach hinten ausgerückt und zu einem frischen Startbereich auf dem vollen Umfangsbereich der Walze bewegt. Die Noniusanzeige wurde auf ihrer aktuellen Einstellung gelassen. Die Drehmaschine wurde in Gang gesetzt und das Rändelrad langsam in die Fläche der Walze vorgerückt, während der Schlitten zum Reitstock geführt wurde. Kurz nach Erreichen der Zieltiefe lag auf der Hand, dass die Folge ausgerichtet wurde. Eine Überprüfung der Tiefe der Nuten zeigte, dass sie 0,0005 zu tief waren, um mit den im ersten Durchlauf geschnittenen Nuten übereinzustimmen. Die Schnitttiefe wurde um 0,0005 vermindert und das Schneiden weitergeführt, bis ca. 3/4 Inch des Quer-Schnittmusters geschnitten worden waren. Die Tiefenübereinstimmung lag innerhalb von 0,0001. Es entstand etwas Grat an den Pyramiden, der durch die sich schneidenden Nuten gebildet wurde, als die Rändelzähne in die erste Vielzahl von Nuten brachen, aber die Pyramidenränder waren auf den einander gegenüberliegenden Rändern, die gebildet wurden, als das Rändelrad zum Schneiden der nächsten Pyramide in einen Steg eintrat, gratfrei. Das Rändelrad wurde auf Beschädigung untersucht. Nur zwei Zähne waren abgesplittert.
Das Schneiden der zweiten Vielzahl von Nuten wurde weitergeführt, bis das Quer-Schnittsmuster 0,127 cm (1/2 Inch) vor dem Schulterbereich des Reitstockendes lag. Eine Untersuchung der Walze zeigte, dass der zweite Schnitt 0,0005 cm (0,0002 Inch) tiefer war als der erste Schnitt am Reitstockende. Die zweite Vielzahl von Nuten 38' mit den Spitzen 39' schnitt die erste Vielzahl von Nuten. Pyramiden bedeckten die Walzenfläche in der Querschnittsfläche.
Als Nächstes wurden leichte Schnitte mit dem gleichen Rändelrad im ersten Satz der Vielzahl von Nuten durchgeführt, um den Grat an den Rändern der Pyramiden zu vermindern. Dieser zweite Durchlauf an der ersten Vielzahl von Nuten begann am Reitstockende im 1/2-Inch-Band der Einzelrichtungsnuten, die im ersten Durchlauf geschnitten worden waren. Die Schlittenzufuhr wurde zur Zuführung vom Reitstock zum Spindelstock eingerückt und das Werkstück von Hand gedreht, bis der Schlitten begann, sich in die Richtung zu bewegen. Die drei 90°-Zähne wurden auf den Satz von Nuten ausgerichtet, die sie in der ersten Durchlaufrichtung geschnitten hatten, und das Rändelrad wurde in die gleiche Tiefe zugeführt, wie für den ersten Durchlauf verwendet worden war. Ein 4×-Vergrößerungsglas wurde dazu verwendet, zu überprüfen, ob das Rändelrad ordnungsgemäß geschaltet worden war, als das Werkstück langsam von Hand gedreht wurde. Die Drehmaschine wurde gestartet, und ein Muster von ca. 0,9525 cm (3/8 Inch) wurde wieder geschnitten. Auf der Walzenfläche wurden in einem Abstand von 90° zwei Tiefenüberprüfungen durchgeführt. Eine zeigte, dass die Schnitttiefe um 0,0025 cm (0,0010 Inch) zu tief und die zweite um 0,0038 cm (0, 0015 Inch) zu tief war. Es gab nun ein hohes Ausmaß an Grat in der zweiten Vielzahl von Nuten. Die Schnitttiefe wurde um 0,0025 cm (0,0010 Inch) verringert. Nach dem Schneiden von weiteren 0,6350 cm (1/4 Inch) wurde der Grat wesentlich reduziert, aber die gemessene Schnitttiefe war immer noch um 0,0025 cm (0,0010 Inch) zu tief. Das Rändelrad wurde um weitere 0,0019 cm (0,00075 Inch) herausgerückt, und nun war der gemessene Schnitt um 0,0020 cm (0,0008 Inch) zu tief. Das Rändelrad wurde um zusätzliche 0,0019 cm (0,00075 Inch) herausgerückt, aber diese Schnitttiefe war zu flach und es verblieb Grat in den Nuten des ersten Durchlaufs. Die Schnitttiefe wurde um 0,0013 cm (0,0005 Inch) erhöht, und nach einem kurzen Lauf wurde Grat in der zweiten Vielzahl von Nuten beobachtet, aber ein vorheriger etwas tieferer Schnitt hatte ein geringeres Gesamtausmaß an Grat. Die Schnitttiefe wurde wieder um 0,0013 cm (0,0005 Inch) erhöht. Nach einem kurzen Lauf waren einige der Nuten in beiden Richtungen gratfrei, und andere Bereiche zeigten nur leichten Grat in der zweiten Vielzahl von Nuten.
Die Drehmaschine wurde wieder gestartet, und die verbleibende Quer-Schnittfläche wurde wieder auf die Tiefe geschnitten. Nach Beendigung des neuen Schnitts wurde die Walze mit einem Rollscope von 100× untersucht. Einige Spitzen besaßen keinen Grat, während andere nur an einem Rand Grat aufwiesen. Die Tiefenübereinstimmung sah hervorragend aus.
Der Werkzeugwinkel wurde für einen Reinigungsdurchlauf in der zweiten Vielzahl von Nuten neu eingestellt. Es wurde die gleiche Vorgehensweise wie für die Reinigung der ersten Vielzahl von Nuten verwendet, um das Rändelrad zur bestehenden zweiten Vielzahl von Nuten zu schalten. Die Schnitttiefe wurde wieder durch Beobachten des Ausmaßes und der Position des vom Rändelrad hinterlassenen Grats eingestellt. Nach der Einstellung für die optimale Tiefe wurde die zweite Vielzahl von Nuten wieder geschnitten. Die sich ergebende Walze zeigte eine Tiefenübereinstimmung von besser als 0,0005 cm (0,0002 Inch) und helle abgerundete Spitzen an den Pyramiden.
Als Nächstes wurde die Walzenfläche mit Kerosin gebürstet, um verbleibenden losen Grat zu entfernen. Das Kerosin wurde manuell mit einer weichen Messingbürste auf die Fläche der sich langsam drehenden Walze aufgebracht. Dann wurde das Kerosin mit einem Handtuch von der Walze entfernt, und anfangs wurden auf dem Handtuch zahlreiche Metallspäne gesammelt. Es wurde weiter gebürstet, bis sehr wenige Metallspäne auf dem Handtuch zu sehen waren.
Dann wurde die Walzenfläche mit einer 3 bis 5 Mikrometer dicken Schicht aus stromlosem Nickel plattiert. Das stromlose Nickel sorgte für Korrosionsschutz und verbesserte Freigabe von Polymermaterial von der Walzenfläche.
Nach dem Plattieren wurde die Walze zum Prägen von Polypropylenfolie zur Verwendung in einem strukturierten Schleifprodukt verwendet.
FORMKÖRPER
Ein bevorzugtes Verfahren zur Verwendung des Werkstücks, oder Master-Werkzeugs, 30 zur Herstellung eines Formkörpers, wie zum Beispiel eines Produktionswerkzeugs, wird in 20 dargestellt. Das Produktionswerkzeug 82 wird an Station 100 durch Extrudieren eines formbaren Materials, vorzugsweise eines thermoplastischen Materials, auf die gerändelte Außenfläche 34 des Master-Werkzeugs 30 gefertigt. Das thermoplastische Material wird an Nip 102 gegen die Fläche 34 gedrückt. Dann wird das Produktionswerkzeug 82 von dem Master-Werkzeug 30 abgeschält und auf den Dorn 106 gewickelt. Auf diese Weise kann ein Produktionswerkzeug 82 beliebiger gewünschter Länge erhalten werden. Die Formfläche 86 wird die Umkehrung des Musters auf der gerändelten Außenfläche 34 des Master-Werkzeugs 30 aufweisen. Wenn das auf die Außenfläche 34 des Master-Werkzeugs 30 aufgebrachte Muster ein Positiv des Musters des schließlich hergestellten strukturierten Schleifkörpers (oder nach Wunsch anderen Körpers) ist, wird das Muster auf der Formfläche 86 die Umkehrung des Musters des Endkörpers sein. Wie in 21 zu sehen, umfasst die Formfläche 86 des Produktionswerkzeugs eine Vielzahl von pyramidenförmigen Taschen 88, die die Umkehrung der Pyramiden 60 auf dem Master-Werkzeug 30 sind. Die pyramidenförmigen Taschen weisen eine untere Spitze 90, Seitenränder 92, Seitenflächen 94 und obere Ränder 96 auf. Die Rückseite 84 ist relativ flach und glatt. Es kann erwünscht sein, dass das Produktionswerkzeug 82 der gefertigte Endkörper ist, wobei dann das Muster auf der Außenfläche 34 des Master-Werkzeugs 30 das Negativ oder die Umkehrung des gewünschten Endmusters am Produktionswerkzeug 82 ist.
Zu den thermoplastischen Materialien, die zur Herstellung des Produktionswerkzeugs 82 verwendet werden können, gehören Polyester, Polycarbonate, Poly(ethersulfon), Polyethylen, Polypropylen, Poly(methylmethacrylat), Polyurethane, Polyamide, Polyvinylchlorid, Polyolefine, Polystyrol oder Kombinationen davon. Zu den thermoplastischen Materialien können Additive wie Weichmacher, Fänger von freien Radikalen oder Stabilisatoren, thermische Stabilisatoren, Antioxidantien, UV-Strahlungs-Absorber, Farbstoffe, Pigmente oder andere Verarbeitungshilfen gehören. Diese Materialien sind vorzugsweise im Wesentlichen durchsichtig für UV- und sichtbare Strahlung.
Da das Werkstück oder das Master-Werkzeug 30 um seinen Umfang ein kontinuierliches, ununterbrochenes gerändeltes Muster aufweist, kann ein Produktionswerkzeug beliebiger gewünschter Länge in Richtung D wirtschaftlich ohne Nähte oder Unterbrechungen auf dem Formmuster geformt werden. Dies gestattet die Produktion strukturierter Schleifkörper beliebiger Länge mit einem ununterbrochenen, strukturierten Verbundschleifmuster. Solche strukturierten Schleifkörper neigen weniger zum Abblättern oder Delaminieren als andere strukturierte Schleifkörper, die aufgrund von Nähten im Produktionswerkzeug eine Naht oder Unterbrechung im Muster aufweisen.
Das Produktionswerkzeug 82 kann auch durch Prägen eines formbaren Materials mit dem gerändelten Master-Werkzeug 30 hergestellt werden. Dies kann mit der erforderlichen Kraft und Temperatur erfolgen, um die Formfläche 86 des Produktionswerkzeugs mit der Umkehrung des Rändelmusters auf dem Werkstück zu versehen. Solch ein Vorgang kann mit Produktionswerkzeugen 82, die eine einzige oder mehrere Schichten aufweisen, verwendet werden. Bei einem mehrschichtigen Produktionswerkzeug zum Beispiel kann die Formfläche 86 ein Material umfassen, das sich zum Formen zu dem gewünschten Muster eignet, während die Rückseite 84 ein Material umfassen kann, dass angemessen fest oder widerstandsfähig für die Bedingungen, denen das Produktionswerkzeug 82 im Gebrauch ausgesetzt wird, ist.
Des Weiteren kann das Produktionswerkzeug 82 aus einem gehärteten wärmehärtbaren Harz hergestellt sein. Ein aus wärmehärtbarem Material hergestelltes Produktionswerkzeug kann gemäß der folgenden Vorgehensweise hergestellt werden. Ein ungehärtetes wärmehärtbares Harz wird auf ein Master-Werkzeug 30 aufgebracht. Während sich das ungehärtete Harz auf der Fläche des Master-Werkzeugs befindet, kann es durch Erwärmen gehärtet oder polymerisiert werden, so dass es sich mit der umgekehrten Form des Musters der Fläche des Master-Werkzeugs verfestigt. Dann wird das gehärtete wärmehärtbare Harz von der Fläche des Master- Werkzeugs entfernt. Das Produktionswerkzeug kann aus einem gehärteten strahlungshärtbaren Harz, wie zum Beispiel acrylierten Urethanoligomeren, hergestellt werden. Strahlungsgehärtete Produktionswerkzeuge werden auf die gleiche Weise hergestellt wie aus wärmehärtbarem Harz hergestellte Produktionswerkzeuge, außer dass das Aushärten mittels Bestrahlung, zum Beispiel durch UV-Strahlung, durchgeführt wird.
Obgleich sich die hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen besonders gut für die Herstellung strukturierter Schleifkörper eignen, wird die vorliegende Erfindung nicht dadurch beschränkt. Die hier beschriebenen erfindungsgemäßen Rändelverfahren und Vorrichtungen können an einem Werkstück 30 verwendet werden, das der gefertigte Endkörper mit seiner eigenen Verwendung ist, anstatt ein Master-Werkzeug, das bei anschließenden Prozessen verwendet werden soll. Wenn das Werkstück ein Master-Werkzeug ist, ist seine Verwendung darüber hinaus nicht auf die Herstellung eines Produktionswerkzeugs zur Verwendung in anschließenden Prozessen beschränkt. Das heißt, der mit dem gerändelten Werkstück geformte Formkörper kann der gefertigte Endkörper mit seiner eigenen Verwendung sein. Des Weiteren kann das gerändelte Werkstück 30 als Rotationstiefdruckbeschichter zur Herstellung von Schleif- oder anderen Körpern verwendet werden.
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES STRUKTURIERTEN SCHLEIFKÖRPERS
Der erste Schritt zur Herstellung der abrasiven Beschichtung besteht darin, den Schmirgelbrei herzustellen. Der Schmirgelbrei wird durch Kombinieren des Bindemittelvorläufers, der Schleifteilchen und der optionalen Additive durch eine beliebige geeignete Mischtechnik hergestellt. Zu Beispielen für Mischtechniken zählen Mischen mit niedriger und Mischen mit hoher Scherwirkung, wobei Mischen mit hoher Scherwirkung bevorzugt wird. Es kann auch Ultraschallenergie in Kombination mit dem Mischschritt verwendet werden, um die Viskosität des Schmirgelbreis zu senken. In der Regel werden die Schleifteilchen nach und nach dem Bindemittelvorläufer zugemischt. Das Ausmaß von Luftblasen im Schmirgelbrei kann durch Erzeugen eines Unterdrucks während des Mischschritts auf ein Minimum reduziert werden. In einigen Fällen wird bevorzugt, den Schmirgelbrei auf eine Temperatur zu erhitzen, die seine Viskosität wie gewünscht senkt. Zum Beispiel kann der Brei auf ca. 30°C bis 70°C erhitzt werden. Jedoch sollte die Temperatur des Breis so ausgewählt werden, dass sie sich nicht nachträglich auf den Träger, auf den er aufgebracht wird, auswirkt. Es ist wichtig, dass der Schmirgelbrei eine Rheologie mit guten Überzugseigenschaften aufweist, in der sich die Schleifteilchen und anderen Füller nicht absetzen.
Es gibt zwei Hauptverfahren zur Herstellung der abrasiven Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Das erste Verfahren führt im Allgemeinen zu einem Verbundschleifmittel, das eine genaue Form aufweist. Zum Erhalt der genauen Form wird der Bindemittelvorläufer zumindest teilweise verfestigt oder geliert, während der Schmirgelbrei in den Hohlräumen des Produktionswerkzeugs vorhanden ist. Das zweite Verfahren führt im Allgemeinen zu einem Verbundschleifmittel, das keine genaue Form aufweist. Beim zweiten Verfahren wird der Schmirgelbrei in die Hohlräume eines Produktionswerkzeugs eingebracht, um die Verbundschleifmittel zu erzeugen. Jedoch wird der Schmirgelbrei aus dem Produktionswerkzeug entfernt, bevor der Bindemittelvorläufer ausgehärtet oder verfestigt ist. Im Anschluss daran wird der Bindemittelvorläufer ausgehärtet oder verfestigt. Da der Bindemittelvorläufer nicht ausgehärtet wird, während er sich in den Hohlräumen des Produktionswerkzeugs befindet, führt dies zu einem Fließen des Schmirgelbreis und Verzerren der Form des Verbundschleifmittels.
Bei Einsatz eines wärmehärtbaren Bindemittelvorläufers kann es sich bei der Energiequelle bei beiden Verfahren in Abhängigkeit von den chemischen Eigenschaften des Bindemittelvorläufers um Wärmeenergie oder Strahlungsenergie handeln. Wenn ein thermoplastischer Bindemittelvorläufer verwendet wird, wird bei beiden Verfahren das thermoplastische Material abgekühlt, so dass es fest wird und das Verbundschleifmittel bildet.
22 zeigt schematisch ein Verfahren und eine Vorrichtung 110 zur Herstellung eines Schleifkörpers. Ein durch den oben beschriebenen Prozess hergestelltes Produktionswerkzeug 82 liegt in Form einer Bahn mit der Formfläche 86, der Rückseite 84 und zwei Enden vor. Ein Träger 112 mit einer ersten Hauptfläche 113 und einer zweiten Hauptfläche 114 verlässt eine Abwickelstation 115. Gleichzeitig verlässt das Produktionswerkzeug 82 eine Abwickelstation 116. Die Form- oder Berührungsfläche 86 des Produktionswerkzeugs 82 wird bei Beschichtungsstation 118 mit einer Mischung aus Schleifteilchen und Bindemittelvorläufer überzogen. Die Mischung kann erhitzt werden, um ihre Viskosität vor dem Beschichtungsschritt zu senken. Die Beschichtungsstation 118 kann ein beliebiges herkömmliches Beschichtungsmittel, wie zum Beispiel eine Messerauftragsvorrichtung, einen Fallschmelzbeschichter, einen Vorhangbeschichter, einen Vakuumschmelzbeschichter oder einen Extrusionsschmelzbeschichter, umfassen. Nach dem Beschichten der Formfläche 86 des Produktionswerkzeugs 82 werden der Träger 112 und das Produktionswerkzeug 82 so zusammengebracht, dass die Mischung die erste Hauptfläche 113 des Trägers 112 benetzt. In 22 wird die Mischung mittels einer Andruckwalze 120, die auch die Produktionswerkzeugs-/Mischungs-/Stützkonstruktion gegen eine Stütztrommel 122 drückt, in Kontakt mit dem Träger 112 gezwängt. Es hat sich als nützlich herausgestellt, eine Kraft von 45 lb mit der Andruckwalze auszuüben, obgleich die gewählte tatsächliche Kraft von mehreren Faktoren abhängig ist, wie in der Technik wohlbekannt. Als Nächstes wird eine ausreichende Dosis Energie, vorzugsweise Strahlungsenergie, durch eine Strahlungsenergiequelle 124 durch die Rückseite 84 des Produktionswerkzeugs 82 und in die Mischung übertragen, um den Bindemittelvorläufer zumindest teilweise auszuhärten, wodurch eine geformte, handhabbare Struktur 126 gebildet wird. Dann wird das Produktionswerkung 82 von der geformten, handhabbaren Struktur 126 getrennt. Die Trennung des Produktionswerkzeugs 82 von der geformten, handhabbaren Struktur 126 erfolgt an Rolle 127. Zu Beispielen für Materialien, die sich für das Produktionswerkzeug 82 eignen, gehören Polycarbonat, Polyester, Polypropylen und Polyethylen. Bei einigen Produktionswerkzeugen, die aus thermoplastischem Material bestehen, sollten die Betriebsbedingungen zur Herstellung des Schleifkörpers so eingestellt sein, dass keine übermäßige Hitze erzeugt wird. Wenn übermäßige Hitze erzeugt wird, kann dies das thermoplastische Werkzeug verformen oder schmelzen. In einigen Fällen erzeugt UV-Licht Wärme. Bei der Rolle 127 kann es sich um eine Kühlrolle ausreichender Größe und Temperatur handeln, um das Produktionswerkzeug wie gewünscht zu kühlen. Die Berührungsfläche oder Formfläche 86 des Produktionswerkzeugs kann eine Trennbeschichtung enthalten, um eine leichtere Trennung des Schleifkörpers vom Produktionswerkzeug zu gestatten. Zu Beispielen für solche Trennbeschichtungen zählen Silikone und Fluorchemikalien. Der Winkel zwischen der geformten, handhabbaren Struktur 126 und dem Produktionswerkzeug 82 unmittelbar nach dem Passieren über die Rolle 127 ist vorzugsweise steil, zum Beispiel über 30°, um eine saubere Trennung der geformten, handhabbaren Struktur 126 von dem Produktionswerkzeug 82 zu bewirken. Das Produktionswerkzeug 82 wird wieder auf den Dorn 128 aufgewickelt, so dass es wieder verwendet werden kann. Die geformte, handhabbare Struktur 126 wird auf den Dorn 130 aufgewickelt. Wenn der Bindemittelvorläufer nicht vollständig ausgehärtet ist, kann er dann vollständig ausgehärtet werden, indem er einer zusätzlichen Energiequelle, wie zum Beispiel einer Wärmeenergiequelle oder einer zusätzlichen Strahlungsenergiequelle, ausgesetzt wird, um den beschichteten Schleifkörper zu bilden. Als Alternative dazu kann sich ein vollständiges Aushärten schließlich ohne die Verwendung einer zusätzlichen Energiequelle zur Bildung des beschichteten Schleifkörpers ergeben. Nach der Verwendung in dieser Schrift bedeutet die Ausdrucksweise „vollständiges Aushärten" und dergleichen, dass der Bindemittelvorläufer ausreichend ausgehärtet ist, so dass das sich ergebende Produkt als ein Schleifkörper, zum Beispiel ein beschichteter Schleifkörper, funktioniert.
Nach der Herstellung des Schleifkörpers kann er vor dem Umwandeln gebogen und/oder befeuchtet werden. Der Schleifkörper kann vor der Verwendung in eine beliebige gewünschte Form, wie zum Beispiel einen Kegel, ein Endlosband, ein Flächengebilde, eine Scheibe usw., umgewandelt werden.
23 zeigt eine Vorrichtung 140 für ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Schleifkörpers. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich bei dem Produktionswerkzeug 82 um ein Endlosband mit einer Berührungs- oder Formfläche 86 und einer Rückseite 84. Ein Träger 142 mit einer ersten Hauptfläche 143 und einer zweiten Hauptfläche 144 verlässt eine Abwickelstation 145. Die Formfläche 86 des Produktionswerkzeugs wird an einer Beschichtungsstation 146 mit einer Mischung aus Schleifteilchen und Bindemittelvorläufer beschichtet. Die Mischung wird durch eine Andruckwalze 148, die auch die Produktionswerkzeugs-/Mischungs-/Stütz-Konstruktion gegen eine Stütztrommel 150 drückt, gegen die erste Fläche 143 des Trägers 142 gedrückt, so dass die Mischung die erste Hauptfläche 143 des Trägers 142 benetzt. Das Produktionswerkzeug 82 wird über drei sich drehende Dorne 152, 154 und 156 getrieben. Dann wird Energie, vorzugsweise Strahlungsenergie, durch die Rückseite 84 des Produktionswerkzeugs 82 in die Mischung übertragen, um den Bindemittelvorläufer zumindest teilweise auszuhärten. Es kann eine Strahlungsenergiequelle 158 vorgesehen sein. Es kann auch eine zweite Strahlungsenergiequelle 160 vorgesehen sein. Diese Energiequellen können gleicher oder verschiedener Art sein. Nach dem zumindest teilweisen Aushärten des Bindemittelvorläufers wird die geformte, handhabbare Struktur 162 von dem Produktionswerkzeug 82 getrennt und auf einen Dorn 164 gewickelt. Die Trennung des Produktionswerkzeugs 82 von der geformten, handhabbaren Struktur 162 erfolgt an der Rolle 165. Der Winkel a zwischen der geformten, handhabbaren Struktur 162 und dem Produktionswerkzeug 82 unmittelbar nach Passieren über die Rolle 165 ist vorzugsweise steil, zum Beispiel über 30°, um eine saubere Trennung der geformten, handhabbaren Struktur 162 von dem Produktionswerkzeug 82 zu bewirken. Eine der Rollen, zum Beispiel die Rolle 152, kann eine Kühlrolle ausreichender Größe und Temperatur zum Kühlen des Produktionswerkzeugs 82 nach Wunsch sein. Wenn der Bindemittelvorläufer nicht vollständig ausgehärtet ist, dann kann er vollständig ausgehärtet werden, indem er einer zusätzlichen Energiequelle, wie zum Beispiel einer Wärmeenergiequelle oder einer zusätzlichen Strahlungsenergiequelle, ausgesetzt wird, um den beschichteten Schleifkörper zu bilden. Als Alternative dazu kann sich eine vollständige Aushärtung schließlich ohne Verwendung einer zusätzlichen Energiequelle zur Bildung des beschichteten Schleifkörpers ergeben.
Nach der Herstellung des Schleifkörpers kann er vor dem Umwandeln gebogen und/oder befeuchtet werden. Der Schleifkörper kann vor der Verwendung in eine beliebige gewünschte Form, wie zum Beispiel einen Kegel, ein Endlosband, ein Flächengebilde, eine Scheibe usw., umgewandelt werden.
Bei beiden Ausführungsformen ist es oftmals erwünscht, den Raum zwischen der Berührungsfläche des Produktionswerkzeugs und der Vorderseite der Unterlage mit der Mischung aus Schleifteilchen und Bindemittelvorläufer vollständig zu füllen. Des Weiteren ist es bei beiden Ausführungsformen möglich, den Brei auf den Träger 112 aufzutragen und den Brei mit dem Produktionswerkzeug in Berührung zu bringen, anstatt den Brei in das Produktionswerkzeug einzubringen und den Brei mit dem Träger in Berührung zu bringen.
Bei einem bevorzugten Verfahren dieser Ausführungsform wird die Strahlungsenergie durch das Produktionswerkzeug 82 direkt in die Mischung übertragen. Es wird bevorzugt, dass das Material, aus dem das Produktionswerkzeug 82 besteht, keinen merklichen Grad an Strahlungsenergie aufnehmen kann oder durch Strahlungsenergie beeinträchtigt wird. Wenn Elektronenstrahlenergie verwendet wird, wird zum Beispiel bevorzugt, dass das Produktionswerkzeug nicht aus Zellulosematerial hergestellt ist, da die Elektronen die Zellulose beeinträchtigen. Wenn UV-Strahlung oder sichtbare Strahlung verwendet wird, sollte das Produktionswerkzeug ausreichend UV- bzw. sichtbare Strahlung übertragen, um den gewünschten Aushärtungsgrad zu bewirken. Als Alternative dazu kann der Träger 112, mit dem das Verbundmittel verbunden ist, eine Übertragung der Strahlungsenergie dadurch gestatten. Wenn die Strahlung durch das Werkzeug übertragen wird, können Strahlungsenergie aufnehmende Träger verwendet werden, weil die Strahlungsenergie nicht durch den Träger hindurch übertragen werden muss.
Das Produktionswerkzeug 82 sollte mit einer Geschwindigkeit betrieben werden, die dazu ausreicht, eine Beeinträchtigung durch die Strahlungsquelle zu vermeiden. Produktionswerkzeuge, die einen relativ großen Widerstand gegen Beeinträchtigung durch die Strahlungsquelle aufweisen, können mit im Verhältnis geringeren Geschwindigkeiten betrieben werden; Produktionswerkzeuge, die einen relativ geringen Widerstand gegen Beeinträchtigung durch die Strahlungsquelle aufweisen, können mit im Verhältnis größeren Geschwindigkeiten betrieben werden. Kurz gesagt, die angemessene Geschwindigkeit für das Produktionswerkzeug hängt von dem Material ab, aus dem das Produktionswerkzeug hergestellt ist. Der Träger, mit dem das Verbundschleifmittel verbunden ist, sollte mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Produktionswerkzeug betrieben werden. Die Geschwindigkeit, zusammen mit anderen Parametern, wie zum Beispiel Temperatur und Spannung, sollte so ausgewählt werden, dass sie den Träger oder das Produktionswerkzeug nicht beeinträchtigt. Trägergeschwindigkeiten von 15 bis 76 m/min (50 bis 250 Fuß/min) haben sich als vorteilhaft herausgestellt, jedoch liegen auch andere Geschwindigkeiten im Schutzbereich der Erfindung.
In den 24 und 25 wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Schleifkörpers 200, die gemäß dem oben beschriebenen Verfahren bereitgestellt ist, gezeigt. Der Schleifkörper 200 weist den Träger 112 mit der ersten Hauptfläche 113 und der zweiten Hauptfläche 114 auf. Strukturierte Verbundschleifmittel 212 sind mit der ersten Hauptfläche 113 des Trägers 112 verbunden. Die Verbundmittel 212 umfassen Schleifteilchen 213, die im Bindemittel 214 dispergiert sind. Flächen 215 definieren die genauen Formen der Verbundmittel 212, wie oben erörtert. Wie in 25 dargestellt, können die Verbundmittel 212 an ihren Basen aneinander anstoßen. Die Konfiguration der Verbundmittel 212 entspricht im Wesentlichen der Konfiguration der Pyramiden 60 am Werkstück 30 und ist im Wesentlichen die Umkehrung der pyramidenförmigen Taschen 88 am Produktionswerkzeug 82.
Weitere Einzelheiten über die Herstellung strukturierter Schleifkörper sind aus der am 10. April 1997 veröffentlichten WIPO internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 97/12727 „Method and Apparatus for Knurling a Workpiece, Method of Molding an Article With Such Workpiece und Such Molded Article", Hoopman et al., bekannt.
Weiterhin liegt im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung die Herstellung von Verbundschleifmittelteilchen. Im Allgemeinen geht man bei dem Verfahren wie folgt vor: a) man bringt einen Schmirgelbrei in die Hohlräume eines Produktionswerkzeugs ein; b) man setzt den Schmirgelbrei Bedingungen zur Verfestigung des Bindemittelvorläufers, Bildung eines Bindemittels und Bildung von Verbundschleifmitteln aus; c) man entfernt die Verbundschleifmittel von dem Produktionswerkzeug; und d) man wandelt die Verbundschleifmittel in Verbundteilchen um. Diese Verbundschleifmittelteilchen können in gebundenen Schleifmitteln, beschichteten Schleifmitteln und Vliesstoffschleifmitteln verwendet werden. Dieses Verfahren wird in der US-PS 5,549,962 „Precisely Shaped Particles and Method of Making the Same", Holmes et al., ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Erfindung ist nun unter Bezugnahme auf mehrere Ausführungsformen davon beschrieben worden. Die vorhergehende ausführliche Beschreibung und die Beispiele dienten nur dem besseren Verständnis. Es sollen daraus keine unnötigen Beschränkungen abgeleitet werden. Für Fachleute liegt auf der Hand, dass an den beschriebenen Ausführungsformen viele Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom dem in den angehängten Ansprüchen beschriebenen Schutzbereich abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Rändeln einer zylindrischen Fläche (34) eines Werkstücks (30), welches eine Längsachse (36) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Einbringen einer erster Vielzahl von Nuten (38) in ein Werkstück (30) mit einem Rändelwerkzeug (12), das eine Vielzahl von Zähnen (44) von mindestens zwei verschiedenen Arten aufweist, wobei zumindest einige der Zähne (44) asymmetrisch sind, wobei die erste Vielzahl von Nuten (38) einen ersten Schrägungswinkel (θ₁) bezüglich der Längsachse (36) des Werkstücks (30) aufweist; wobei die erste Vielzahl von Nuten eine erste Nut und eine zweite Nut aufweist und sich die zweite Nut hinsichtlich ihrer Konfiguration von der ersten Nut wesentlich unterscheidet; und b) Einbringen einer zweiten Vielzahl von Nuten (38') in das Werkstück (30), wobei die zweite Vielzahl von Nuten (38') einen zweiten Schrägungswinkel (θ₂) bezüglich der Längsachse (36) aufweist, wobei die zweite Vielzahl von Nuten (38') die erste Vielzahl von Nuten (38) schneidet, wodurch auf der Außenfläche (34) des Werkstücks (30) ein Rändelmuster eingebracht wird, wobei das Muster durchgehend und ununterbrochen um den Umfang des Werkstücks (30) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste und der zweiten Schrägungswinkel (θ₁, θ₂) der Nuten wesentlich ungleiche Größen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Vielzahl von Nuten (38') eine dritte Nut und eine vierte Nut aufweist, wobei sich die vierte Nut hinsichtlich ihrer Konfiguration von der dritten Nut wesentlich unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste und die zweite Nut jeweils eine erste Nutenfläche (66a), eine zweite Nutenfläche (66a) und einen Nutengrund aufweisen, wobei sich die erste und die zweite Nutenfläche (66a) jeweils von der Werkstückaußenfläche (34) zum Nutengrund erstrecken und wobei die Nutenflächen (66a) der ersten Nut in einem ersten eingeschlossenen Winkel zueinander und die Nutenflächen (66a) der zweiten Nut in einem zweiten eingeschlossenen Winkel zueinander verlaufen, wobei sich der zweite eingeschlossene Winkel von dem ersten eingeschlossenen Winkel wesentlich unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem sich der erste und der zweite eingeschlossene Winkel um mindestens 3 Grad, vorzugsweise um mindestens 10 Grad, voneinander unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die dritte und die vierte Nut jeweils eine erste Nutenfläche (66a), eine zweite Nutenfläche (66a) und einen Nutengrund aufweisen, wobei sich die erste und die zweite Nutenfläche (66a) jeweils von der Werkstückaußenfläche (34) zum Nutengrund erstrecken, wobei die Nutenflächen (66a) der dritten Nut in einem dritten eingeschlossenen Winkel zueinander und die Nutenflächen (66a) der vierten Nut in einem vierten eingeschlossenen Winkel zueinander verlaufen, wobei sich der vierte eingeschlossene Winkel von dem dritten eingeschlossenen Winkel wesentlich unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem sich der dritte und der vierte eingeschlossene Winkel um mindestens 3 Grad, vorzugsweise um mindestens 10 Grad, unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem der Nutengrund eine an der Schnittstelle zwischen der ersten und der zweiten Nutenfläche (66a) gebildete Linie ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Schnittstelle der ersten Vielzahl von Nuten (38) und der zweiten Vielzahl von Nuten (38') dadurch auf der Werkstückaußenfläche (34) eine Vielzahl von Pyramiden (60) bildet, wobei jede der Pyramiden (60) durch die ersten Nuten (38) gebildete erste gegenüberliegende Seitenflächen (66a) und durch die zweiten Nuten (38') gebildete zweite gegenüberliegende Seitenflächen (66b) aufweist, und wobei die Vielzahl von Pyramiden (60) eine erste Pyramide und eine zweite Pyramide aufweist, wobei sich die zweite Pyramide hinsichtlich ihrer Konfiguration von der ersten Pyramide wesentlich unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem zwischen den gegenüberliegenden ersten Seiten (66a) der ersten Pyramide ein erster Winkel (ϒ₁) und zwischen den gegenüberliegenden ersten Flächen (66a) der zweiten Pyramide ein zweiter Winkel (ϒ₂) gebildet wird, und bei dem sich der zweite Winkel (ϒ₂) von dem ersten Winkel (ϒ₁) um mindestens 3 Grad unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem sich der zweite Winkel (ϒ₂) von dem ersten Winkel (ϒ₁) um mindestens 10 Grad unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Pyramiden (60) Pyramidenstümpfe sind.
Gerändeltes Werkstück (30) mit einer gerändelten, zylindrischen Außenfläche (34), wobei das gerändelte Werkstück (30) einen zylindrischen Körper (32) mit einer Längsachse (36) und einer zylindrischen Außenfläche (34) aufweist, wobei die Außenfläche (34) darauf ein Rändelmuster aufweist, welches gekennzeichnet ist durch: eine erste Vielzahl von Nuten (38), die einen ersten Schrägungswinkel (θ₁) bezüglich der Längsachse (36) des Werkstücks (30) aufweist; wobei die erste Vielzahl von Nuten eine erste Nut und eine zweite Nut aufweist und sich die zweite Nut hinsichtlich ihrer Konfiguration von der ersten Nut wesentlich unterscheidet; und eine zweite Vielzahl von Nuten (38'), die einen zweiten Schrägungswinkel (θ₂) bezüglich der Längsachse (36) aufweist, wobei die zweite Vielzahl von Nuten (38') die erste Vielzahl von Nuten (38) schneidet, wobei das Rändelmuster durchgehend und ununterbrochen ist und sich in einer ganzen Zahl mehrmals um den Umfang des Werkstücks (30) wiederholt, wobei zumindest einige der Vielzahl von ersten und zweiten Nuten asymmetrisch sind.
Gerändeltes Werkstück nach Anspruch 13, bei dem die zweite Vielzahl von Nuten (38') eine dritte und eine vierte Nut aufweist, wobei sich die vierte Nut hinsichtlich ihrer Konfiguration von der dritten Nut wesentlich unterscheidet.
Gerändeltes Werkstück nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die erste und die zweite Nut jeweils eine erste Nutenfläche (66a), eine zweite Nutenfläche (66a) und einen Nutengrund aufweisen, wobei sich die erste und die zweite Nutenfläche (66a) jeweils von der Werkstückaußenfläche (34) zum Nutengrund erstrecken, und wobei die Nutenflächen (66a) der ersten Nut in einem ersten eingeschlossenen Winkel zueinander und die Nutenflächen (66a) der zweiten Nut in einem zweiten eingeschlossenen Winkel zueinander verlaufen, wobei sich der zweite eingeschlossene Winkel von dem ersten eingeschlossenen Winkel wesentlich unterscheidet.
Gerändeltes Werkstück nach Anspruch 15, bei dem sich der erste und der zweite eingeschlossene Winkel um mindestens 3 Grad, vorzugsweise um mindestens 10 Grad, voneinander unterscheiden.
Gerändeltes Werkstück nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die dritte und die vierte Nut jeweils eine erste Nutenfläche (66a), eine zweite Nutenfläche (66a) und einen Nutengrund aufweisen, wobei sich die erste und die zweiten Nutenfläche (66a) jeweils von der Werkstückaußenfläche (34) zum Nutengrund erstrecken, wobei die Nutenflächen (66a) der dritten Nut in einem dritten eingeschlossenen Winkel zueinander und die Nutenflächen (66a) der vierten Nut in einem vierten eingeschlossenen Winkel zueinander verlaufen, wobei sich der vierte eingeschlossene Winkel von dem dritten eingeschlossenen Winkel wesentlich unterscheidet.
Gerändeltes Werkstück nach Anspruch 17, bei dem sich der dritte und der vierte eingeschlossene Winkel um mindestens 3 Grad, vorzugsweise um mindestens 10 Grad, voneinander unterscheiden.
Gerändeltes Werkstück nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem der Nutengrund eine an der Schnittstelle zwischen der ersten und der zweiten Nutenfläche (66a) gebildete Linie ist.
Gerändeltes Werkstück nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem die Schnittstelle der ersten Vielzahl von Nuten (38) und der zweiten Vielzahl von Nuten (38') dadurch auf der Werkstückaußenfläche (34) eine Vielzahl von Pyramiden (60) bildet, wobei jede der Pyramiden (60) durch die ersten Nuten (38) gebildete erste gegenüberliegende Seitenflächen (66a) und durch die zweiten Nuten (38') gebildete zweite gegenüberliegende Seitenflächen (66b) aufweist, und wobei die Vielzahl von Pyramiden (60) eine erste Pyramide und eine zweite Pyramide aufweist, wobei sich die zweite Pyramide hinsichtlich ihrer Konfiguration von der ersten Pyramide wesentlich unterscheidet.
Gerändeltes Werkstück nach Anspruch 20, bei dem zwischen den gegenüberliegenden ersten Seiten (66a) der ersten Pyramide ein erster Winkel (ϒ₁) und zwischen den gegenüberliegenden ersten Flächen (66a) der zweiten Pyramide ein zweiter Winkel (ϒ₂) gebildet ist, und bei dem sich der zweite Winkel (ϒ₂) von dem ersten Winkel (ϒ₁) um mindestens 3 Grad unterscheidet.
Gerändeltes Werkstück nach Anspruch 21, bei dem sich der zweite Winkel (ϒ₂) von dem ersten Winkel (ϒ₁) um mindestens 10 Grad unterscheidet.
Gerändeltes Werkstück nach Anspruch 21 oder 22, bei dem die Pyramiden (60) Pyramidenstümpfe sind.
Verfahren zum Formen eines Formteils (82) mit dem gerändelten Werkstück (30) nach einem der Ansprüche 13 bis 23, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Aufbringen eines formbaren Materials auf die Außenfläche (34) des gerändelten Werkstücks (30); b) Aufbringen einer ausreichenden Kraft auf das formbare Material während das formbare Material mit dem gerändelten Werkstück (30) in Kontakt ist, um auf einer mit dem gerändelten Werkstück (30) in Kontakt stehenden ersten Fläche (86) des formbaren Materials die Umkehrung des Musters auf der Außenfläche (34) des gerändelten Werkstücks (30) aufzubringen; und c) Entfernen des formbaren Materials von dem gerändelten Werkstück (30).
Rändelrad (12) mit einem Körper, der eine erste und eine zweite gegenüberliegende Hauptfläche (42) und eine Außenumfangsfläche zwischen der ersten und der zweiten Hauptfläche (42) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste als auch die zweite Fläche (42) einen hinterschnittenen Teil (65) aufweist, der zu einem positiven Spanwinkel führt; und eine Vielzahl von Zähnen (44), von denen zumindest einige asymmetrisch sind, an der Außenumfangsfläche angeordnet ist, wobei die Vielzahl von Zähnen (44) einen ersten und einen zweiten Zahn aufweist und sich der zweite Zahn hinsichtlich seiner Konfiguration von dem ersten Zahn wesentlich unterscheidet.
Rändelrad (12) nach Anspruch 25, bei dem der erste Zahn eine erste und eine zweite Seite (52) aufweist, die sich von der Außenumfangsfläche erstrecken, wobei die erste und die zweite Seite (52) dazwischen einen ersten eingeschlossenen Winkel (ϒ) bilden, und bei dem der zweite Zahn eine dritte und eine vierte Seite (52) aufweist, die sich von der Außenumfangsfläche erstrecken und dazwischen einen zweiten eingeschlossenen Winkel (ϒ) definieren, wobei sich der zweite Winkel (ϒ) von dem ersten Winkel (ϒ) wesentlich unterscheidet.
Rändelrad (12) nach Anspruch 26, bei dem sich der zweite Winkel um mindestens 3 Grad, vorzugsweise um mindestens 10 Grad, von dem ersten Winkel unterscheidet.
Rändelrad (12) nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem jeder der Vielzahl von Zähnen (44) eine wesentlich unterschiedliche Konfiguration aufweist.
Rändelrad nach einem der Ansprüche 25 bis 28, bei dem jeder der Zähne (44) eine erste Seite (52) und eine zweite Seite (52) aufweist, die sich von der Außenumfangsfläche erstrecken; bei dem eine jeweilige erste Kante (46) eines der Zähne (44) und eine jeweilige zweite Kante (46) eines benachbarten der Zähne (44) dazwischen einen eingeschlossenen Winkel bilden, wodurch eine Vielzahl von eingeschlossenen Winkeln zwischen jedem benachbarten Paar Zähne (44) gebildet wird; und bei dem sich ein erster der eingeschlossenen Winkel von einem zweiten der eingeschlossenen Winkel wesentlich unterscheidet.
Rändelrad (12) nach Anspruch 29, bei dem sich der erste eingeschlossene Winkel von dem zweiten eingeschlossenen Winkel um mindestens 3 Grad, vorzugsweise um mindestens 10 Grad, unterscheidet.
Rändelrad (12) nach Anspruch 29 oder 30, bei dem sich jeder der eingeschlossenen Winkel wesentlich unterscheidet.