用于在研磨时支撑旋转的工件的方法以及流体动力学的中心架

摘要

本发明涉及一种用于在研磨加工时流体动力学地支撑和定中旋转的工件的方法以及一种可为此使用的中心架(10)。根据本发明，有待支撑的支承位置利用压紧力加载，该压紧力根据转数从将轴从静止状态启动时的最小压力改变直到在加工转数时的最大值。中心架(10)在容纳轴的孔(30)中具有横向孔(34)的开口(35)，经过该开口可以将润滑剂作为压力流体输送给支承位置。该方法特别适用于加工凸轮轴和曲柄轴。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在机床/研磨机上加工期间支撑和流体动力学地定中旋转的工件的方法以及一种用于实施该方法的中心架。

背景技术

为了在研磨加工中支撑旋转的工件，通常使用居中的中心架。该支撑用于避免工件在研磨盘在横向上作用的力的影响下弯曲。为此使用支撑体，其在多个位置上接触工件并且其关于转轴居中。该支撑至少以自动居中的方式借助于三个设置在用于支撑的支承位置的圆周上的支座实现。这种中心架例如从DE-OS1577369中公知。

这种中心架的支座通常在接触位置上为避免磨损以及可见的的运行轨迹用CBN(立方氮化硼)或PKD(聚晶金刚石)进行涂层。因为中心架在支座上接触工件，所以必然在支撑位置上得出了所谓的运行轨迹。运行轨迹基于弄平表面粗糙度的尖部并且视觉上可见。表面物质的改变会在轴承中的润滑膜上产生可能的不利的影响。此外，在支承位置的范围中的承重比率也会发生改变。支承位置大小的改变在运行轨迹的范围中常常是极小的，但这种支承位置大小的改变在支承位置上的持续升高的技术要求下常常不再被允许。由此所需的支承位置在使用中心架之后的后续研磨导致了不希望的研磨时间的加长以及单件成本的上涨。

将支承位置支撑在三个点上的中心架的其它的缺点在于，还在支承位置上形成在支承位置上在加工中出现的短波的不圆度并且其至少部分地无法被平衡。这两种效应在已知的中心架中无法完全地得以避免。

中心架的另一种改变方案是所谓的流体静力学的中心架，如在DE-OS1627998和EP1298335B1(德语翻译文本为：DE60210187T2)中描述。该中心架中通过流体静力学的轴承支撑支承位置，其中，为多个围绕轴承的内圆周分布的流体静力学的袋子加载处于压力下的流体。由此在轴的支承位置上产生流体静力学的压力，该压力支撑轴并将轴定中。通过调节装置调节流体压力。这种类型的中心架的特别的缺点在于，在支撑期间无法加工支承位置，这是因为支承位置在四周被中心架包围。这种改变形式需要具有支撑袋和卸载槽的支撑外壳的特别的设计，这导致了耗费和昂贵的生产成本。

按照埃尔温容克尔机械制造有限公司(申请人)的DE10232394B4，为了在研磨加工期间支撑旋转的工件使用至少一个垫体，其可用压力流体进行加载，该垫体用其位于研磨盘对面的一侧贴靠在工件上。这里贴靠力可以被气动地或液动地影响。在垫体和工件之间可以在特定的实施方式下加入流体作为压力剂和润滑剂。这种类型的支撑的缺点在于工件的单侧支撑以及耗费的结构设计。

发明内容

因此本发明的目的在于，提出一种用于在研磨加工期间支撑旋转的工件的方法，其避免了现有技术的缺点，并且提供一种成本低廉的中心架，其适用于实施所述方法。

该目的通过具有在权利要求1中给出的特征的方法以及通过按照权利要求10或11中任一项所述的中心架实现。该方法的其它的设计方案在权利要求2至9中给出以及该中心架的设计方案在权利要求12至16中给出。

按照权利要求1，在根据本发明的方法中工件的用于支撑的轴向分段受到在径向上、即在工件纵轴上以及转轴上作用的压力，该压力的大小根据各个存在的转数的大小被控制在最小值和最大值之间。这具体表示的是，为了借助于中心架支撑使用的旋转的工件、比如传动轴、曲柄轴或凸轮轴的支承位置，在中心架中利用压紧力加载，该压紧力的大小可控。用于产生压紧力的流体可以比如是为了研磨所使用的冷却油或润滑油。该流体优选通过横向孔(即该孔相对于中心架的轴侧向偏移)输送到环状间隙并且在那里形成流体动力学的轴承，横向孔的开口通入中心架和支承位置之间的环状间隙中。在加工转数中处于压力下的轴承在中心架的范围中在所有面上支撑工件。由此一方面避免了中心架和支承位置的表面之间的直接接触，从而不会产生运行轨迹。另一方面以令人惊喜的方式示出，实现了在支承位置的范围中的工件的根据压力的、动力学的居中。

经过横向孔的开口输送给环状间隙的流体的压力在实施该方法中被控制在启动工件时的最小值和最大值之间。根据本发明，在到达加工转数时达到最大值，并且在研磨加工时间期间基本上保持在该值上。此外，在本发明的范围中，在利用工件的改变的加工转数进行研磨时流体压力导致了当前的加工转数。然而也可以在这种情况下恒定地保持流体压力。重要的是，相应的覆盖的压力范围显著地高于启动开始时存在的流体压力。

压力的最小值由按照在中心架和工件的支承位置之间的环状间隙中的封闭的润滑膜的要求得出。这表示，最小值应大于0。然而作为压力的最小值这里也应该包括一个为0的值。在运行中重要的是，在启动时迅速地积聚流体压力。该润滑膜必须尽可能在工件从静止状态启动时就能得到确保，这是因为否则会发生金属部件之间的不希望的直接接触。然而开始时压力不能太高，这是因为其不对称地冲击支承位置，这同样地导致所述部件间的接触。此外，在支承位置上的太高的压力阻碍了工件的启动，这是因为太高的压力起到制动器的作用，因为在相关的支承位置上的工件在支承外壳中在支承外壳位于输送孔对面的一侧上会与支承外壳发生接触。

在启动过程期间，其中，轴达到了增大的转数，流体压力根据当前的转数升高。这可以在本发明的范围中连续地或在适当的选出的级数中实现。由此按照本发明的观点，压力升高随被驱动的工件的转数的增加线性地进行控制。在一个变型中与转数非线性的、逐级升高的流体压力也可以是有利的。这例如如此实现，在启动过程开始时实现流体压力的相对缓慢的增大，而在接近加工转数的较高的转数下，出现流体压力的相对陡峭的升高。流体压力的这种控制使得有待加速的工件开始特别迅速地启动，而在加工期间动力学地定中工件所需的较高的压力基本上在接近启动结束时才能完全达到。在特定的情况下，如果由于工件的材料特性力求特别迅速和可靠地使用工件的动力学的支承，就可以有目的性地在开始时就特别迅速地实现压力升高。

流体压力的最大值可通过实验测得。该值首先取决于在加工中的工件的转数以及用于产生压力所使用的流体。实验得出，在环状缝隙中流体压力的升高导致了工件关于其转轴的根据压力的居中的改善。在比如在5至150bar范围中的压力下，可以达到在几个μm范围中的旋转精确度。由此利用升高的压力提高了在给定的转数下的旋转精确度。在本发明的范围中，“最大值”是指针对每个加工状态所需的最大的压力值，其中，在加工转数下实现工件的研磨加工。

根据本发明的操作方法得出的优点在于，一方面确保了有待研磨的轴的转数从静止状态直到加工转数的快速的、毫无问题的加速并且另一方面在研磨期间实现非常准确地将轴在支承位置上定中以及支撑。这些优点在文章开头所述的现有技术中没有给出，这是因为在现有技术中只研究了在加工转数下的中心架的动作，没有考虑启动过程。此外，没有提及通过在支承位置上最佳的、较高的流体压力对于具有较高的转数旋转的轴上的高精确度的定中的影响。然而在启动时较高的流体压力会导致问题的出现。只有本发明才认识到，为了在较短的加工时间下对轴进行最佳地加工，根据当前的工件转数控制在中心架中的流体压力是有利的。

根据本发明，为了控制流体压力设置有控制装置，该控制装置对工件的各个当前的转数产生做出反应并且相应地控制或调节流体压力。为此，建议使用总归要存在的研磨机的CNC-控制装置。该控制装置对阀门产生影响，这些阀门比如通过流量的改变实现在环状间隙中的流体压力的调节。因为一直有流体经过侧面打开的环状间隙流出，所以通过流量的调节很容易实现压力的调节。

在本发明的设计中，控制装置具有至少一个传感器，该传感器获取各个存在的流体压力并且将其与预设的、根据转数的值进行比较。为此控制装置优选具有电子计算机，其被相应地设定了程序并且具有输入设备、处理器、存储器和其它所需的设备。

流体压力的控制优选如此实现，即由于加工工件产生的在一个或多个旋转期间工件的转速的改变也导致该控制。就此而言，“流体压力的最大值”不是绝对严格定义的值，而可以是具有某个当然相对于最高值极小的带宽。重要的是，在加工期间的流体压力显著高于工件启动开始时的流体压力，并且该流体压力在加工中保持在较高的压力范围中。

并列的权利要求11涉及一种与按照权利要求10所述的中心架的结构形式不同的中心架，类似的如申请人在DE10232394B4中所示。根据本发明的中心架具有至少一个可在工件上压紧的并且可用流体压力加载的支承区域，以及用于在工件和支承区域之间输送起润滑剂作用的流体的装置。这里“支承区域”指的是中心架的一部分，其将有待支撑的工件仅在其圆周的有限的部分中进行包围。这类中心架可以具有一个或多个支承区域。根据DE10232394B4，支承区域被设计成由弹性固体材料或用弹性的压力介质填充的弹性外壳制成的垫体，该垫体优选在与研磨盘相对立的圆周范围中贴靠在有待研磨的辊上。在这种结构形式中，根据本发明的中心架不仅预设了支承区域的压紧力，也预设了基本上与此无关的、作为润滑剂和冷却剂使用的流体的流体压力。后者按照本发明取决于转数控制、如已经参照按照权利要求10针对中心架所描述的那样。在此，流体压力在工件从静止状态启动时首先极小并且随着转数的增加升高直到加工转数时的最大值。然而流体压力的最小值不允许小于支承区域中的压紧力，这是因为否则无法实现润滑。这里在支承区域中的压紧力基本保持不变。该压紧力可以比如通过气动或液动的装置由控制装置预设。

根据权利要求14设置至少一个具有输送管道的支承区域，该输送管道的工件一侧的开口实现在支承区域和工件之间的流体的输入。如果设置多个支承区域，那么这些支承区域应该优选按照权利要求15同心地朝有待支撑的工件并且与其转轴同轴的设置。

按照本发明的方法以及配设的中心架为加工轴形部件所使用。作为工件这里可以比如是传动轴、凸轮轴或曲柄轴等。下面展示的实施方式可以为支撑所有可能的轴使用，这里通过各个技术事实和研磨技术确定细节部分。

根据本发明的中心架也可以在研磨机中使用，该研磨机的磨台具有关于装/卸工件所改进的变型。这种结构上的变型设计有用于研磨台的节拍台(Takttisch)，该节拍台分别承载两个支撑装置。所述支撑装置交替地到达加工位置。由此可以将下一个工件在2秒钟内为下一次夹紧做好准备，并且其无需再等待工件更换时间。在加工另一个工件期间，工件的装/卸在节拍台背向研磨盘的一侧上实现。

为了完全加工轴部分、凸轮轴、曲柄轴等的轴承位置可以使用被分开的轴承支架作为中心架。利用这种轴承支架可以以完全相同的形式和方法在研磨轮廓、凸轮或连杆轴承等时容纳轴部分。此外，在轴上没有保留中心架在支撑位置上的可见的运行轨迹。

通过这种操作方法不仅可以准确地形成轴形工件的后续的使用条件，还可以实现加工中的最好的大小公差、形状公差和位置公差。

参照有待支撑的支承位置的不同的直径，轴承外壳/轴承支架必须与支撑直径相匹配；这优选通过在为机床更换新设备时的适当的、取决于工件的替换部分实现。

附图说明

下面借助于附图详细描述按照本发明的用于支撑和动力学地定中旋转的工件的方法以及按照本发明的中心架。其中：

图1是研磨机的示意性俯视图，其中可以使用根据本发明的用于支撑工件的方法和根据本发明的中心架；

图2是具有按照本发明的具有分开的中心架的用于支撑轴形部件的支撑装置的简化侧视剖面图，所述中心架具有可摆动的夹具；

图3是具有按照本发明的一体的中心架的支撑装置的简化侧视剖面图；

图4是具有按照本发明的被设计成轴承支架的中心架的支撑装置的简化侧视剖面图；

图5是具有多个按照本发明的支撑位置的支撑装置的示意性俯视图，所述支撑位置用于容纳曲柄轴的多个支承位置；以及

图6是按照图2的分开的中心架的示意性部分视图。

具体实施方式

图1示意性展示了研磨机1的俯视图，其中，使用了根据本发明的方法并且将有待研磨的轴形工件12容纳在中心架10中用于实施该方法。研磨机1具有机床2，在机床上设置有研磨站3。研磨站3在机床2上具有十字刀架6，十字刀架包括两个CNC-控制的执行轴。Z轴21平行于工件纵轴20延伸，并且X轴22作为进给轴垂直于Z轴21以及工件纵轴20。

按照图1，在十字刀架上在X轴22的方向上安装了具有进给刀架的研磨主轴头13，其可以CNC-控制地在X轴22的方向上进给工件。研磨主轴头13用作容纳至少一根研磨主轴14，其在其前面区域中容纳至少一个研磨盘15。研磨盘15和研磨主轴14具有共同的中轴，其在非圆研磨时优选轴平行地朝工件12的中轴对齐。在机床2上在前面区域中设置研磨台5，其容纳有待加工的轴(工件12)的支撑装置8，该支撑装置具有比如被设计成轴承支架18的根据本发明的中心架10。研磨台5也承载具有夹盘的工件主轴头7，该夹盘的夹具被游动地支承，从而使其可以垂直于工件纵轴20进行平衡并且将工件在径向上无间隙地以及刚硬地围绕C轴23(转轴)驱动。

同样地，存在用于研磨站3的Z轴21的导轨的盖板17，还存在至少一个在研磨台5上用于研磨盘15的校准装置16。还存在包围研磨机1的外壳和其它用于运行研磨机1所需的组件并且这些对于技术人员是熟知的。为了在图1中更好地观察起见，未示出外壳和其他组件。

在图2中示意性地展示了在支撑装置8中的根据本发明的中心架10的实施例的部分剖面图。支撑装置8具有基体9，在基体上设置一个或多个中心架10并且基体可借助于螺栓38和配设的夹紧爪39固定安装在研磨台5上。中心架10在分离位置25被分成两部分，具有两个夹具11，其借助于所属的摆动轴33支承在支撑装置8的基体9上。利用附图标记11′表示了夹具11的向外摆开的位置。为了在研磨加工期间支撑轴形工件12，使夹具11围绕摆动轴33向内摆动，这优选借助于这里未示出的液压驱动装置实现。然后夹具11完全包围工件12的有待支撑的支承位置42，该工件可以在由中心架10的两个夹具11形成的孔30中围绕其纵轴旋转。

按照本发明的中心架10的夹具11之一设置有横向孔34，其经过开口35通到中心架10的中心孔30中。通过在图2中未示出的基体9中的其它孔37和/或通过其它的输送管道36(见图6)可以将根据本发明的压力流体经过开口35导入在工件12和孔30的壁部之间形成的环状间隙62中。特别小心地加工夹具25之间的分离位置25并且使得在夹具11的关闭的位置中不形成间隙，压力流体会经过该间隙进入分离位置25中并且从分离位置流出。此外，在分离位置25上设置两个夹具11的平面的金属的接触，该接触利用借助于优选液压的调节力施加在夹具11上的夹紧力导致分离位置25的很高的密封性。

借助于图2描述的变型在比如生产构建的凸轮轴时使用，其支承位置42在将凸轮安装到管件上之后还必须在支承位置42进行加工。中心架10或轴承支架18的分开的构造在加工铸铁凸轮轴时也是必须的，这是因为用于安装的轴承支架11只有在完全加工支承位置42之后才能够被置入。

在图3中展示了具有根据本发明的中心架10的另一种结构形式的支撑装置8的夹紧原理图。这里被设计成未分开的轴承支架18的中心架10在支撑装置8中被容纳在平面19上，该平面与在之后的装配中的安装平面一致。轴承支架设计有侧面的突出部分或舌部24，其设置有相应的孔，并且这些孔也可以为之后的安装服务。轴承支架18在支撑装置8的基体9上通过两个液压地可围绕摆动轴摆动的夹紧杠杆32固定。该固定在固定螺栓的位置上实现，所述固定螺栓之后在电动机内腔中装配工件12时使用。为了将轴承支架准确地定位在支撑装置8的基体9上，在基体9上设置有定位装置，其这里比如作为止挡件31示出。当然也可以使用其它的定位装置，如定中套筒或定中销。夹紧杠杆32的支承和其液压的操作在这里仅简单示出。因此附图标记32′表示的是夹紧杠杆32向外摆开的位置。支撑装置8的固定在研磨台5上在基体9上方实现，为此设置螺栓38和夹紧爪39。

如在图3中可见，轴承支架11具有用于容纳有待研磨的工件12的相应的支承位置42的孔30。支承位置还具有相对于孔30偏心设置的横向孔34，其开口35通向孔30中。该横向孔34与在支撑装置8的基体9中的另一个孔37对准，该另一个孔37在其一侧与输送管道36相连。因此可经过横向孔34的开口35将润滑剂从输送管道36导入孔31中。

图4展示了按照本发明的另一种未分开的中心架10，其如按照图3那样被设计成轴承支架18。该轴承支架18借助于螺栓26安装到支撑装置8的基体9上。在使用中轴承支架18在轴向上被推移到有待支撑的支承位置42上或者将支承位置42引入轴承支架18的孔30中。

在图5中示意性展示了在全部长度上具有根据本发明的被设计成轴承支架18的中心架10作为支撑位置的曲柄轴40的示图。因为曲柄轴具有五个支承位置42，所以在支撑装置8的长度上也设置有五个用于轴承支架18的夹紧位置。由此将曲柄轴40为了加工比如连杆轴承43在其整个长度上支撑在其支承位置42上。在支承位置上的支撑带来为了高精度的研磨所需的刚性，这是因为研磨力在支承位置上被接受。因此在研磨时仅还需要通过工件主轴头7的夹盘将曲柄轴40的端部游动地夹紧以及其在CNC控制的C轴23中的驱动。

在图6中展示了具有两个如已经借助于图2描述的夹具11的分开的中心架10与在支承位置42的区域中的曲柄轴40的分部61的详细示图。中心架10设置有用于容纳支承位置42的孔30。该孔30的直径比如为25mm并且以大约15μm的直径公差制成。横向孔34借助于开口35通入孔30中。横向孔用作在实施根据本发明的方法时输入润滑油。这里也必须注意，分离位置25在中心架10的两个夹具11之间被设计成完全密封地抵挡用作压力流体的润滑油的进入。为此两个夹具33在分离位置25上的直接金属地接触被证明是有效的，为此必须足够精密地加工相应的接触面。当然为了生产两个在夹具11中构建的半壳也需要很高的精确度，所述半壳在图6中展示的夹具11向内摆动的状态下形成用于容纳工件12的支承位置42的开口30。

在实施根据本发明的方法中，在研磨周期中穿过被用作中心架10的轴承支架18的横向孔34的开口35将润滑油输送给支承位置42。润滑油进入在孔30的壁和工件12的支承位置42之间形成的环状间隙62中并且润滑构件。因此润滑油由于处于压力下，故通过环状间隙62作为损耗油排出到研磨机1的机器内腔中。因此为了润滑支承位置使用与作为在研磨时的冷却物质相同的润滑油。然而该研磨油要特别地过滤，以便没有研磨残渣到达工件12的支承位置42中。

同时，通过环状间隙62的油损失用作密封支承位置42以防污渍颗粒从外面进入支承位置42中。在孔30中容纳的支承位置42的直径比孔直径小大约40至60μm地制成。由此得到对应于环状间隙62的大约20至30μm厚的润滑间隙，在运行中在该润滑间隙中构成流体动力学的轴承。该流体动力学的轴承要求旋转的轴/支承位置42的最小转数用于构建润滑膜，最小转数根据本发明明显低于在研磨凸轮轴或连杆轴承时的研磨转数。该研磨转数通常位于大约50至500min¨的范围中。

为了在研磨工件比如传动轴、曲柄轴或凸轮轴时获得很好的结果，按照本发明的方法如下进行：在有待研磨的轴从静止状态启动时，将经过支承位置42的开口35输送的润滑油的压力调节到很小，然后在工件12加速期间连续地升高到用于研磨的额定转数。润滑油的压力升高根据工件12的各个转数得以实现，直到额定转数并且达到用于研磨的压力额定值。压力控制通过特殊的阀门实现，阀门通过CNC-控制装置操作。

该操作方法以根据本发明的知识为基础，如果润滑油的输送压力升高，支承位置的径向刚度也提高。在最佳地调节在用于研磨的额定转数下的润滑压力时，可以达到1至2μm的支承位置42的同心性精度。实验中令人惊奇的发现，如果在流体动力学的润滑点/支承位置42中的压力与用于研磨工件12的转数相匹配，则根据本发明的方法特别适用于研磨传动轴、曲柄轴或凸轮轴，最佳的压力根据不同的转数位于大约5和150bar之间的范围中。

过高的润滑油压力以及过低的润滑油压力都无法带来令人满意的结果。在支承位置42中的润滑油压力过低的情况下会出现润滑膜的裂开。在润滑油压力过高的情况下，轴向位于孔30与开口35相对立的一侧按压。在两种情况下都会使轴承遭到损坏，并且无法实现令人满意的研磨结果。

附图标记

1研磨机

2机床

3研磨站

5研磨台

6十字刀架

7工件主轴头

8支撑装置

9基体

10中心架(支撑位置)

11夹具

11′向外摆开的夹具

12轴形工件

13研磨主轴头

14研磨主轴

15研磨盘

16校准装置

17盖板

18轴承支架

19平面

20工件纵轴

21Z轴

22X轴

23C轴

24突出部分

25分离位置

26螺栓

30孔

31止挡件

32夹紧杠杆

32′向外摆开的夹紧杠杆

33摆动轴

34横向孔

35开口

36输送管道

37孔

38螺栓

39夹紧爪

40曲柄轴

42支承位置

43连杆轴承

62环状间隙