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CN103338897A - 用于加工和硬化金属工件的方法和机床 - Google Patents

用于加工和硬化金属工件的方法和机床 Download PDF

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CN103338897A
CN103338897A CN2012800060849A CN201280006084A CN103338897A CN 103338897 A CN103338897 A CN 103338897A CN 2012800060849 A CN2012800060849 A CN 2012800060849A CN 201280006084 A CN201280006084 A CN 201280006084A CN 103338897 A CN103338897 A CN 103338897A
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CN
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hardening
machining
cooling medium
low
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CN2012800060849A
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M·I·梅达尔
W·霍恩
H·朗
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5me Epp LLC
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MAG IAS GmbH Eislingen
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Abstract

本发明涉及用于加工和硬化金属工件（2）的方法和机床（1），其中，首先借助于加工装置（7，8）切削加工夹持在工件夹具（4至6）中的工件（2）并且随后借助于硬化装置（9）硬化该工件。为了进行硬化，首先借助于加热单元（62）加热经过加工的工件（2）并且随后借助于淬火单元（63）对该工件进行淬火。借助于低温冷却介质、例如液态的或气态的氮进行淬火。通过在一个夹持装置中加工和硬化工件（2）以及快速对经过加热的工件（2）进行淬火，实现了高加工质量和短加工或循环时间。

Description

用于加工和硬化金属工件的方法和机床
技术领域
本发明涉及用于加工和硬化金属工件的方法和机床。
背景技术
由DE 197 49 939 C2（对应于US 6 684 500 B1）已知了一种用于加工曲轴的机床，其中曲轴在夹持装置中被切削加工并且随后被硬化。为了进行硬化，借助于激光器或感应器加热曲轴。不利的是，曲轴在冷却之后具有不期望的变形，该变形降低了加工质量并且可能造成需要再加工。
发明内容
本发明的目的是，提出一种方法，该方法使得能以高加工质量对金属工件进行简单加工和硬化。
该目的通过具有权利要求1所述特征的方法来实现。在一个夹持装置中对待加工的工件进行切削加工和硬化。为了进行硬化，以常规的方式加热经过加工的工件并且随后利用低温冷却介质对该工件进行淬火。在接触工件时具有远低于0℃（273.15K）的非常低的温度的低温冷却介质促使经过加热的工件相应地快速冷却，由此变形小并且与现有技术相比变形明显减小。由此，经过硬化的工件具有高加工质量。小变形导致经过硬化的工件根本不必由于该变形而再进行再加工或者仅须在很小的程度上进行再加工。由于快速冷却和不再需要再加工，还缩短了加工时间或循环时间。由于低温冷却介质蒸发，因此工件和机床都不会受到低温冷却介质的污染。不需要清除低温冷却介质。
工件的加热借助于加热单元进行，该加热单元优选地设计为可沿工件线性地移动的激光器和/或感应器。为了实现连续地将热量输入到工件中，优选地在工件旋转时通过加热单元的移动来实现加热。随后直接借助于可沿工件线性地移动的淬火单元对经过加热的工件进行淬火。淬火单元用于将低温冷却介质输送至经过加热的工件并且紧靠着加热单元布置在加热单元旁边。为了连续地和有目的地冷却工件，优选地在工件旋转时进行淬火。
根据权利要求2的方法确保了快速和干净地对工件进行淬火。适合用作冷却介质的有：液态的或气态的氮、液态的或气态的氧、气态的氢、气态的氦、液态的或气态的氩、气态的二氧化碳和液态的或气态的天然气。优选使用氮。
根据权利要求3的方法确保了快速地对工件进行淬火。
根据权利要求4的方法确保了工件的变形小，这是因为，在淬火时，工件的热量基本上仅通过对流来带走。低温冷却介质可以作为气体储存并且被引导至工件，或者作为液体储存并且只有在输送至工件时才变成气态的。
根据权利要求5的方法能够实现低温冷却介质的极低温度和工件的相应快速淬火。
根据权利要求6的方法确保了简单和结构空间优化地储存低温冷却介质。
根据权利要求7的方法能够实现较短的加工或循环时间。低温冷却介质与传统的冷却介质相比明显更高效地冷却了刀具的切削刃，由此能实现更高的切削速度和相应更高的切削生产率以及更长的刀具使用寿命。由于无论如何都要提供低温冷却介质用于对工件进行淬火，因此在切削时用于冷却刀具的额外投入很低。在低温冷却介质蒸发之后，整个加工过程可以干燥地进行，也就是说，无需传统的冷却润滑剂。经过加工的工件以及机床因此是绝对干净的。由于不必清除冷却润滑剂，因此可以节省相应的费用。
根据权利要求8的方法缩短了加工时间。由于在一个夹持装置中进行切削和硬化，因此两个工艺步骤可以并行地进行。当借助于加工装置仍然进行切削加工时，可以借助于加热单元以及淬火单元通过局部加热和淬火已经对经过加工的工件进行了硬化。并行的切削和硬化特别适用于具有相对较大的轴向尺寸的轴形工件。
根据权利要求9的方法确保了高加工质量，这是因为也在同一个夹持装置中进行了工件的精加工。因此可以快速且简单地对由于硬化而产生的工件的小变形进行再加工。此外，可以简单且快速地实施其它用于表面加工的工艺步骤。
根据权利要求10的方法确保了短的加工时间。由于低温冷却介质可以高效地冷却用于精加工的刀具，由此获得了更高的加工速度和生产率以及更长的刀具使用寿命。由于无论如何都要提供低温冷却介质用于硬化，因此用于冷却在精加工中所使用的刀具的额外投入低。由于低温冷却介质蒸发，因此经过精加工的工件和机床都是绝对干净的。不必清除传统的冷却润滑剂。
根据权利要求11的方法缩短了加工时间，这是因为精加工和工件的硬化并行地进行。并行的加工特别由此得以实现：工件由于低温冷却介质极其快速地冷却。并行的加工特别适用于具有大轴向尺寸的轴形工件。
根据权利要求12的方法确保了高的加工质量。由于工件夹具相对于基础框架热绝缘，因此夹持装置中的热变形可以最小化，由此，由于夹持装置而作用到工件上的力在整个加工期间基本上保持相同。由夹持装置引起的工件变形因此得到避免。
根据权利要求13的方法确保了在加工轴形工件时的高的加工质量。
根据权利要求14的方法确保了高的加工质量。通过弹性安装补偿了被夹持的工件的轴向膨胀，由此，由于夹持装置而作用到工件上的力在整个加工期间基本上保持相同。
根据权利要求15的方法确保了高的加工质量。通过根据所测量到的轴向力调节其中一个工件夹具，可以简单且快速地补偿被夹持的工件的轴向膨胀，由此，由于夹持装置而作用到工件上的力在整个加工期间基本上保持相同。
本发明的目的还在于，提出一种机床，该机床能够实现以高加工质量简单地加工和硬化金属工件。
该目的通过具有权利要求16所述特征的机床来实现。根据本发明的机床的优点对应于已经描述过的根据本发明的方法的优点。特别地，根据本发明的机床可以相应于权利要求2至15进行改进。
附图说明
从下面对实施例的说明中得出本发明的其它特征、优点和细节。其中：
图1示出机床在切削加工金属工件时的透视图，
图2示出图1中的机床的局部剖视图，
图3示出图1中的机床的加工和硬化装置的放大视图，
图4示出图1中的机床在硬化经过加工的工件时的透视图，
图5示出图4中的机床的局部剖视图，和
图6示出图1中的机床在精加工经过硬化的工件时的透视图。
具体实施方式
为了制造由金属制成的经过硬化的轴形工件2，机床1具有基础框架3，在该基础框架上布置有三个工件夹具4至6和两个加工装置7、8以及一个硬化装置9。
第一工件夹具4设计为工件主轴并且具有夹盘10，该夹盘可借助于主轴驱动马达11围绕平行于x-方向延伸的旋转轴线12被旋转驱动。工件主轴4布置在基础框架3的前面13上并且可平行于x-方向线性移动。为此，在前面13上，第一x-导轨14在垂直于x-方向延伸的y-方向上彼此间隔开地布置，工件主轴4借助于第一x-滑板15安装在这些导轨上。x-滑板15可借助于第一x-驱动马达16沿x-导轨14线性移动。
第二工件夹具5借助于第二x-滑板17与工件主轴4相对地安装在x-导轨14上。工件夹具5设计为尾座并且具有延伸到尖端的工件夹持器18，该工件夹持器与旋转轴线12同心地布置并且围绕该旋转轴线可旋转地安装在壳体19中。工件夹持器18借助于弹簧元件20弹性地安装在壳体19中并且可在x-方向上克服弹簧元件20的弹簧力沿轴向移动。为了测量作用到工件夹持器18上的轴向力，在它和壳体19之间布置有力传感器21，该力传感器将测得的轴向力值传输至控制装置22。在工件夹持器18和壳体19之间布置有热绝缘件23，该热绝缘件使工件夹持器18相对于壳体19热绝缘。
第三工件夹具6设计为跟刀架并且相对于y-方向布置在工件2下方。跟刀架6固定在第三x-滑板24上，该滑板24可借助于第三x-驱动马达25在第二x-导轨26上平行于x-方向线性移动。x-导轨26在y-方向上彼此间隔开并且在x-导轨14下方布置在前面13上。x-导轨14和26彼此平行地延伸。
加工装置7、8用于切削加工被夹持的工件2。在基础框架3的顶面27上布置有第三x-导轨28，导轨28在垂直于x-和y-方向延伸的z-方向上彼此间隔开并且平行于x-方向延伸。在x-导轨28上安装有第四x-滑板29并且该滑板29可借助于第四x-驱动马达30平行于x-方向线性移动。在x-滑板29的前面31上布置有第一y-导轨32，导轨32在x-方向上彼此间隔开并且平行于y-方向延伸。在y-导轨32上安装有第一y-滑板33，该滑板33可借助于y-驱动马达34平行于y-方向线性移动。在y-滑板33上固定有第一刀具转塔35，该第一刀具转塔具有多个刀具36。刀具转塔35具有壳体37，在该壳体37中布置有转塔驱动马达38，借助于该驱动马达38能使转盘39围绕旋转轴线40被旋转驱动。旋转轴线12和40彼此平行并且平行于x-y-平面延伸。
为了输送低温冷却介质41，加工装置7具有输送管路42，该输送管路从储存容器43引至正与工件2接合的刀具36。输送管路42例如穿过转盘39和正接合的刀具36直接引至刀具36的切削刃。储存容器43是热绝缘的并且可借助于冷却器总成44冷却。低温冷却介质41可借助于第一供给泵68通过输送管路42输送至刀具36。
第二加工装置8设计成与第一加工装置7对应并且具有第五x-滑板45，该滑板45可在x-导轨28上借助于第五x-驱动马达46平行于x-方向线性移动。在x-滑板45的前面47上布置有第二y-导轨48，第二y-滑板49可借助于第二y-驱动马达50平行于y-方向在导轨48上线性移动。在y-滑板49上布置有第二刀具转塔51，该第二刀具转塔面向第一刀具转塔35。刀具转塔51具有壳体52，在该壳体52中安装有转塔驱动马达53。借助于转塔驱动马达53能使转盘54与刀具55一起围绕旋转轴线56被旋转驱动。旋转轴线56布置成与旋转轴线40重合。为了将低温冷却介质41输送至接合的刀具55的切削刃，在储存容器43和刀具55之间布置有第二输送管路57。输送管路57例如延伸穿过转盘54和接合的刀具55。低温冷却介质41可借助于第二供给泵69从储存容器43输送至刀具55。
硬化装置9平行于y-方向可线性移动地布置在x-滑板29上。为此，在x-滑板29的端面58上，在z-方向上彼此间隔开地固定有第三y-导轨59。在y-导轨59上安装有第三y-滑板60并且该滑板60可借助于第三y-驱动马达61线性移动。硬化装置9包括U形加热单元62和淬火单元63，它们彼此相邻地布置在y-滑板60上。加热单元62设计为感应器，从而可借助于感应来加热工件2。淬火单元63包括用于输送低温冷却介质41的输送管路64和用于在对工件2淬火之后排出低温冷却介质41的抽吸管路65。输送管路64从储存容器43直接引至感应器62。低温冷却介质41可借助于第三供给泵66从储存容器43经过输送管路64输送至工件2。借助于第四供给泵67进行抽吸。优选地，被抽吸的低温冷却介质41被重新输送到储存容器43中。
驱动马达11、16、25、30、34、38、46、50、53和61以及供给泵66至69连接到控制装置22上并且可借助于该控制装置控制。
下面借助于机床1对工件2的加工和硬化进行描述。首先将工件2夹持在工件主轴4和尾座5之间并且借助于跟刀架6支持地安装工件2。随后，借助于工件主轴4旋转驱动工件2并且借助于加工装置7和/或加工装置8对工件2进行切削加工。借助于低温冷却介质41对与工件2接合的刀具36和/或55进行冷却。为此，可借助于供给泵68、69经由输送管路42、57将冷却介质41输送至刀具36、55的切削刃。在切削期间通常借助于滑板29、33、45和49线性移动刀具36、55。在图1至3中示出了切削。
借助于硬化装置9与切削并行地对工件2进行硬化。为此，在切削期间借助于加热单元62或者说感应器将工件2局部加热到奥氏体化温度并且随后借助于淬火单元63对其淬火。由于在硬化期间工件2围绕旋转轴线12旋转，因此其被均匀地加热和淬火。为了进行淬火，借助于供给泵66经由输送管路64将低温冷却介质41输送至工件2并且在低温冷却介质41接触到工件2后再借助于供给泵67经由抽吸管路65将其抽出。通过低温冷却介质41极其快速地冷却工件2，由此使工件2的变形保持很小。在硬化期间借助于滑板29和60以常规的方式线性移动硬化装置9。另选地，可以在切削了工件2之后才开始硬化。硬化在图4和5中示出。
与硬化并行地对经过硬化的工件2进行精加工或者说再加工。在精加工时，可以例如对工件2进行切削加工或者可以以其它方式改善工件2的表面。借助于第一加工装置7和/或第二加工装置8进行精加工。用于精加工的与工件2接合的刀具36、55借助于低温冷却介质41冷却。为此，借助于供给泵68、69将低温冷却介质41从储存容器43输送至刀具36、55的切削刃。另选地，可以在硬化已经结束之后才开始精加工。精加工在图6中示出。
在对工件2进行切削和/或精加工时，与传统的冷却介质相比，低温冷却介质41更高效地冷却了接合的刀具36、55的切削刃，由此提高了切削速度和加工生产率。由于低温冷却介质41最迟在淬火之后蒸发，因此工件2以及整个机床1是干净的。省去了在传统的冷却介质的情况下的冷却介质41的清除步骤。
在整个制造过程期间，借助于力传感器21测量作用到工件2上的轴向力。被夹持的工件2的轴向膨胀借助于弹簧元件20补偿而在特定的界限内。如果测得的轴向力尽管在弹性安装的情况下仍然超过特定的界限，那么将在x-方向上再调节工件主轴4和/或尾座5。为了避免在弹簧元件20或力传感器21上产生剧烈的温度波动，借助于绝缘体23对工件夹持器18进行热隔离。由于工件2的切削、硬化和精加工在一个夹持装置中进行，因此一方面实现了高的加工质量和另一方面实现了短的加工时间或循环时间。
优选地使用氮作为低温冷却介质41。氮41作为液体以低于其沸点（-195.79℃或77.36K）的温度储存在储存容器43中。氮41可以在经由输送管路42、57和64输送期间保持为液态，直至接触到工件2或刀具36、55。另选地，氮41可以保持为气态直至接触到工件2或离开刀具36、55，并且具有高于沸点的温度，但优选低于-180℃（93.15K）。
原则上可以使用选自包括氮、氧、氢、氦、氩、二氧化碳和天然气的组中的至少一种介质作为低温冷却介质41。低温冷却介质41可以是液态的和/或气态的。低温冷却介质41在切削、硬化和/或精加工期间接触到工件2时具有低于-60℃（213.15K）、特别是低于-120℃（153.15）、特别是低于-150℃（123.15）、特别是低于-180℃（93.15）的温度。
待制造的工件2例如可以是轴、齿轮、小齿轮轴、曲轴、凸轮轴、开关主轴和/或法兰部件。切削和精加工可以通过车削、车铣加工、冷轧、切齿、钻孔、曲轴铣削、凸轮轴铣削和/或磨削进行。

Claims (16)

1.一种用于加工和硬化金属工件的方法，包括以下步骤：
-将待加工的工件（2）夹持在机床（1）的工件夹具（4至6）中，
-切削夹持在所述工件夹具（4至6）中的所述工件（2），
-通过以下方式硬化所述工件（2）：
--加热经过加工的并且夹持在所述工件夹具（4至6）中的所述工件（2），和
--利用低温冷却介质（41）对经过加热的并且夹持在所述工件夹具（4至6）中的所述工件（2）进行淬火。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温冷却介质（41）是选自包括氮、氧、氢、氦、氩、二氧化碳和天然气的组中的至少一种介质。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述低温冷却介质（41）在接触到经过加热的工件（2）时具有低于-60℃、特别是低于-120℃、特别是低于-150℃、特别是低于-180℃的温度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述低温冷却介质（41）作为气体接触到经过加热的工件（2）。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述低温冷却介质（41）作为液体接触到经过加热的工件（2）。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述低温冷却介质（41）作为液体储存。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，借助于所述低温冷却介质（41）冷却用于切削的刀具（36，55）。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在切削所述工件（2）期间进行加热和特别是淬火。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，精加工经过硬化的并且夹持在所述工件夹具（4至6）中的所述工件（2）。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，借助于所述低温冷却介质（41）冷却用于精加工的刀具（36，55）。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在对所述工件（2）进行淬火期间进行精加工。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，工件夹具（5）相对于所述机床（2）的基础框架（3）热绝缘。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述工件（2）是轴形的并且在两端夹持在工件夹具（4至6）中。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，至少一个工件夹具（5）弹性地安装，以补偿被夹持的工件（2）的轴向膨胀。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，借助于力传感器（21）在至少一个工件夹具（5）上测量轴向力，并且根据所述轴向力通过使工件夹具中的其中一个（4，5）移动来补偿被夹持的工件（2）的轴向膨胀。
16.一种用于加工和硬化金属工件的机床，包括：
-基础框架（3），
-布置在所述基础框架（3）上的工件夹具（4至6），所述工件夹具（4至6）用于夹持待加工的工件（2），
-用于切削所述工件（2）的加工装置（7，8），
-用于硬化经过加工的所述工件（2）的硬化装置（9），该硬化装置（9）具有：
--用于加热所述工件（2）的加热单元（62），和
--淬火单元（63），该淬火单元（63）设计成能够利用低温冷却介质（41）对经过加热的并且夹持在所述工件夹具（4至6）中的所述工件（2）进行淬火，和
-用于对加工和硬化进行控制的控制装置（22）。
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