Diese Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung von Kugelschreiberspitzen, sogenannten Rohspitzen, in deren Sitzbereich und vorzugsweise in ihrem Konusbereich. Außerdem betrifft diese Erfindung die Herstellung solcher Werkzeuge und ihren Einbau in schnelldrehende Präzisionsspindeln.

Gemäß dem Stand der Technik wurde die Bearbeitung dieser Bereiche nacheinander in verschiedenen aufeinander folgenden Arbeitsschritten mittels üblicher Automaten mit Drehzahlwechselscheiben ausgeführt, was zur Folge hatte, dass sowohl die Rundlaufabweichung als auch die Bildung von Graten nicht ausreichend gemeistert wurde. Dann wurden mehrteilige Werkzeuge entwickelt, die so gehandhabt werden konnten, dass sie einzeln in einer allgemeinen Einspannvorrichtung eingeführt und eingespannt werden konnten. Dadurch wurde sicherlich das Problem, Grate zu beseitigen, gelöst, die Konzentrizität auf den Mikrometer genau sowie die gewünschten Abmessungen der Schreibspitzen konnten jedoch nur unter größten Schwierigkeiten erreicht werden, da man nicht über schnelldrehende Präzisionsspindeln verfügte, deren Drehachse vom Stillstand bis zur maximalen Drehgeschwindigkeit eine Abweichung von 0,5 Mikrometer nicht überschreiten würde. In der Schrift DE 1 402 888A ist ein bekanntes Werkzeug beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rohspitze mit einer Präzision zu schaffen, wie sie bisher nie erreicht wurde.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung genauer beschrieben. Dabei zeigt:

1 eine Kugelschreiberspitze, wie sie beispielsweise mittels des erfindungsgemäßen Werkzeugs hergestellt werden kann,

2 ein erfindungsgemäßes Werkzeug,

3 und 4 eine besonders bevorzugte Variante eines erfindungsgemäßen Werkzeugs.

1 zeigt eine Kugelschreiberspitze nach vollendeter spanabhebender Bearbeitung (Rohspitze) mit einer eingesetzten Kugel nur zum Zwecke der Erläuterung. Derartige Kugelschreiberspitzen bestehen gewöhnlich aus Messing oder Argentan, das leicht mit kurzen Spänen spanabhebend zu bearbeiten ist.

Wie in 1 zu sehen ist, hat eine Kugelschreiberspitze 1 einen sehr komplexen Aufbau. Im Wesentlichen weist sie einen zentralen Zuführungskanal 2 für die im Folgenden zur Vereinfachung Tinte genannte Tinte der Schreiberkugel auf, welcher mittels einer Bohrung 2a in einen Sitzbereich 3 für die Kugel 4 mündet. Dieser Sitzbereich 3 besteht im Wesentlichen aus einer Pilotbohrung 3a in Verlängerung der Bohrung 2a, aus einer ringförmigen Bodenfläche 3b und aus einer zylinderförmigen Bohrung 3c, die in einer Frontfläche 3d mündet.

Die Außenkontur, die sich in der Verlängerung der Frontfläche 3d befindet, besteht aus einem Konus 5a, der mit dem Sitzbereich 3 ein Teil bildet, das hier Lippe (Kante) 9 genannt wird. An den Konus 5a schließt sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Absatz 5c ein weiterer Konus 5b an, dessen Konfiguration und Funktion später erläutert werden. Sodann schließen sich ein Absatz 6 und eine Stange 7 an.

Es wird in dieser Beschreibung nicht näher auf die verschiedenen Übergänge, Senkungen, Zwischenabsätze u. a. eingegangen, da sie für das Verständnis der Erfindung nicht von besonderer Bedeutung sind und da sie dem Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung von Kugelschreiberspitzen praktisch wohlbekannt sind.

Ferner muss für ein besseres Verständnis der Probleme bei der Herstellung einer derartigen Kugelschreiberspitze festgehalten werden, dass bei Kugelschreiberspitzen wie denjenigen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der maximale Durchmesser in dem Bereich des Absatzes 6 kaum 2 mm überschreitet und der Sitzbereich 3 der Kugel 4 auf einen Mikrometer genau oder noch präziser gefertigt werden muss. Diese Präzision muss bei maximalen Taktgeschwindigkeiten (240 Stück/Min., was für die eigentliche spanabhebende Bearbeitung eine Zeitdauer von 0,125 Sekunden übrig lässt) und so zuverlässig wie möglich erreicht werden. Die Kosten für eine solche Kugelschreiberspitze, die meist aus Messing hergestellt wird, liegen in der Größenordnung von weniger als einem amerikanischen Cent.

Für die Qualität der fertigen Kugelschreiberspitze ist es von höchster Wichtigkeit, dass die Pilotbohrung 3a präzise konzentrisch zu dem Absatz 3b und zu der zylinderförmigen Bohrung 3c verläuft. Zudem muss die Frontfläche 3d präzise drehzylindrisch zu der Achse 3e des Sitzbereichs 3 konfiguriert sein. Auch der Konus 5a muss präzise konzentrisch zu der Achse 3e angeordnet sein. In dieser Beschreibung versteht man unter „präzise" Toleranzen hinsichtlich der Abmessungen, der Form und der Position innerhalb eines Bereichs vom 0,001-Fachen des Nominaldurchmessers der Bohrung 3c.

Die Länge der Pilotbohrung 3a ist dabei neben der Konzentrizität zwischen der Pilotbohrung und dem Absatz aus folgenden Gründen ebenfalls wichtig: Nach der spanabhebenden Bearbeitung der Kugelschreiberspitze werden in dem Übergangsbereich von der Pilotbohrung 3a zu dem Absatz 3b hin mittels eines Schmiedewerkzeugs die Tintenkanäle geschaffen, und die Kugel wird in ihrem Sitz in axialer Richtung zusammengedrückt. Dabei muss bei Auftreten von „Falten", die bei dieser Bearbeitung infolge des Stauchens von Werkstoff zur Achse entstehen können, darauf geachtet werden, dass der Tintenfluss ungehindert bis in die fertige Spitze des Kugelschreibers erfolgen kann, was durch eine ausreichende Tiefe der Pilotbohrung gewährleistet ist.

1 zeigt links die Form des kalt gepressten Rohlings 8, aus dem sodann durch spanabhebende Bearbeitung die Bohrungen 2 und 2a, der Sitzbereich 3 und der Konus 5a hergestellt werden.

1 zeigt auch eine fiktiv eingesetzte Kugel 4, um das Hervorstehen der Kugel über die Frontfläche 3d darzustellen.

Sodann werden die Tintenkanäle in die ringförmige Frontfläche 3b gestanzt, die Kugel wird eingesetzt, in die Sitzfläche gedrückt, und der Randbereich wird um die Kugel herum gespannt. Durch das Spannen, das beispielsweise mittels eines Drehkopfs erfolgt, wird um die Kugel 4 herum und zu dem Sitz hin ein schmaler, gebogener, ringförmiger Schlitz von mikroskopischer Präzision gebildet. Die geometrische Präzision dieses Schlitzes ist die Voraussetzung für einen Qualitäts-Kugelschreiber.

Beim Stand der Technik ist es zur Herstellung des Sitzbereichs 3 und des Konus 5 erforderlich, ein mehrteiliges Werkzeug zu verwenden, dessen Teile in einer schnelldrehenden Präzisionsspindel (18000 bis 60000 U/Min) angeordnet werden, wobei sie aber einzeln in einem Werkzeugkopf eingestellt und festgezogen werden können.

Die Lager der Präzisionsspindel bestehen aus stark vorgespannten Kugellagern mit einem Kontaktwinkel von 15° bis 30°, vorzugsweise Mischlagern der höchsten Präzisionsklasse (ABEC 9) in einem Spindelgehäuse, das hinsichtlich Masse, Zylindrizität, Konzentrizität, Parallelität die Präzision IT 01 bis IT 1 aufweist. Die Oberflächen, die dazu bestimmt sind, die gebrauchten Lager aufzunehmen, dürfen in ihrer Rauheit Ra 0,1 nicht überschreiten. Durch diese Präzision kann die Vorspannung der Lager über die üblichen Grenzen hinaus hergestellt werden, ohne dass dadurch eine nicht zulässige Erwärmung der Spindel erfolgt. Als Schmiersystem der Lager ist beispielsweise ein Ölnebel geeignet. Zudem ist eine Dichtung ohne Kontakt erforderlich, beispielsweise eine Labyrinthdichtung, um die Reibungswärme zu begrenzen. Die Konzentrizität kann ebenfalls mittels solcher Spindeln gemeistert werden.

Es bleibt noch das Problem der Einstellung der mehrteiligen Werkzeuge mit der erforderlichen Präzision beim Ausbau wegen Nachbearbeitungen und beim Wiedereinbau sowie beim Lösen, beim Einstellen und sonstigen Positionswechseln der verschiedenen Werkzeugteile. Dies macht es erforderlich, die Spannflächen des Werkzeugs und der Spannvorrichtung vollkommen sauber zu halten, da selbst die geringsten Änderungen der Spannsituation, sei es durch winzige Partikel oder Änderungen durch das Spannen des Werkzeugs o.a., die Korrelation vor und nach der Korrektur unsicher machen.

Dadurch, dass die bekannten mehrteiligen Werkzeuge einzeln eingestellt und befestigt werden können, können die gewünschten Abmessungen (auf einen Mikrometer genau) und die gewünschte Geometrie (ebenfalls auf einen Mikrometer genau) der Rohspitze nur sehr schwer erreicht werden.

Versuche, ein einstückiges (monolithisches) Werkzeug zu schaffen, mit dem der Sitzbereich 3 und vorzugsweise auch der Konus 5a, eventuell mit dem Absatz 5c, hergestellt werden können, sind daran gescheitert, dass ein solches Werkzeug, das gewöhnlich aus feinkörnigem Wolframkarbid mit beispielsweise 4% Co besteht, sehr schwierig richtig einzustellen ist, insbesondere bei einem Kantenradius von 0,02 mm. Je nach Abnutzung des Profils der Schleifscheibe muss sie häufig gerade gerichtet werden, mit all den Problemen, die das mit sich bringt. Es ist daher von Vorteil, auf funkenerosives Abtragen zurückzugreifen. Bei Verwendung eines moderneren Werkstoffs wie beispielsweise eines feinkörnigen polykristallinen Diamanten (DPC) ist eine Bearbeitung nur durch Funkenerodieren (EDM = electro discharge machining) möglich, und vorzugsweise durch Drahterodieren (wire-EDM) mit einem Drahtdurchmesser von 15 bis 50 &mgr;m, um die erforderlichen kleinen Übergangsradien herstellen zu können.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug 10, mit dem dieser Zweck erreicht wird. Dieses Werkzeug ist aus einem zylindrischen Stab mit einem Durchmesser von beispielsweise 4 mm gefertigt und weist eine Rundheit und eine Zylindrizität mit einer Abweichung von weniger als 0,5 &mgr;m auf. Diese Präzision kann durch spitzenloses Schleifen (centerless grinding) erreicht werden.

Dieses monolithische Werkzeug 10, das sich bei der Bearbeitung einer Kugelschreiberspitze in der Richtung des Pfeils D dreht, weist einen Basisbereich 10a auf, der die oben angesprochene Rundheit und Zylindrizität besitzt und als Bezugsgröße dient. Dazu wird der Basisbereich 10a mit seiner vollständigen Umfangslinie vorzugsweise in axialem Abstand zu dem Sitzbereichelement (vorzugsweise in 1,5 mm Abstand von der Kante 10b) ausgebildet. Im „oberen" Bereich ist das Basiselement in einer Stufe parallel zur Achse 16 in axialer Richtung bis zu dem vollständigen Basisbereich entlang der Kante 10b versetzt, welche sich in geeignetem Abstand (von mindestens 51 % des Durchmessers der Bohrung 3c, sieh 1) befindet. Die genannte Stufe lässt Raum für ein nicht dargestelltes Werkzeugteil, das den Bereich des Konus 5a bildet. Das Sitzbereichelement 12, das die Pilotbohrung 3a, die ringförmige Bodenfläche 3b, die zylinderförmige Bohrung 3c und die Frontfläche 3d bildet, ragt über die Basis hinaus.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Sitzbereichelement 12 eine Schneidekontur 14 auf, die mehrfach umgebogen ist und sich aus folgenden Abschnitten zusammensetzt: der oberste Abschnitt bildet den Übergang von der Bohrung 2a zur Pilotbohrung 3a, die nächsten Abschnitte die Pilotbohrung 3a, die ringförmige Bodenfläche 3b, die zylinderförmige Bohrung 3c und schließlich die Frontfläche 3d. Die Schneidekontur 14 befindet sich in einem Fassadenbereich 12a, der vorzugsweise 0,05 bis 0,1 mm über dem Mittelpunkt der Basis 10a liegt (angezeigt durch den Bohrpunkt der Achse 16 in der Fläche 12c). Dadurch können die freien Flächen 12b im rechten Winkel zum Fassadenbereich 12a gebildet werden, so dass eine abnutzungsfeste, mechanisch stabile Schneidgeometrie erreicht werden kann.

Eine Korrektur im Bereich des Durchmessers des Sitzbereichs kann von der Spannvorrichtung aus durch Versetzen in Querrichtung gegenüber der Achse 16 erfolgen, ohne den einstückigen Werkzeugteil 10 abzunehmen, der das Sitzbereichelement 12 enthält, da sich die verschiedenen Abstände zwischen den Abschnitten des Sitzbereichs 3a, 3b, 3c und 3d an dem Werkzeug zueinander nicht ändern können, da dieses in einem einzigen Stück ausgeführt ist. Lediglich die Durchmesser werden durch das Versetzen gleichzeitig um jeweils den gleichen Wert geändert. Wenn die Durchmesser den gewünschten Wert erreichen, ist auch das präzise Hervorstehen der Kugel über die Frontfläche 3d hinaus ohne weiteres Zutun erreicht.

Dieses einstückige Werkzeug 10 für den Sitzbereich wird, wie oben erwähnt, durch ein nicht dargestelltes Teil für den Konusbereich 5a und vorzugsweise den Absatz 5c ergänzt. Die oben angeführten Probleme mit den mehrstückigen Werkzeugen spielen in diesem Fall eine Rolle, die zu vernachlässigen ist, da das einstückige Werkzeug 10 nicht abgesetzt werden muss und nur die Wandstärke der Kante 9 (1) auf Grund möglicher Abweichungen beim Einsetzen des Konuselements in einen Bügel um einige Mikrometer variieren kann, seine Konzentrizität ist jedoch nicht beeinträchtigt. Durch dieses getrennte Konusteil wird es möglich, durch sein Versetzen gegenüber den in einem Stück ausgeführten Teilen 10 entlang der Ebene, die sich parallel zur Achse 16 erstreckt und von der Kante 10b begrenzt ist, die Stärke der Kante 9 unabhängig von den Durchmessern des Sitzbereichs 3 zu beeinflussen.

Die 3 und 4 zeigen ein erfindungsgemäßes Werkzeug, bei dem sowohl das Sitzbereichelement 12 wie auch ein Konuselement 13 in einem Stuck an einen ihnen gemeinsamen Basisteil 10a konfiguriert sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bildet das Konuselement 13 den Konus 5a und den Absatz 5c (1).

Das Konuselement 13 weist eine Fassadenfläche 13a auf, die vorzugsweise durch den Mittelpunkt der Basis 10a (durch die Achse 16) verläuft und mit der Fassadenfläche 12a einen Winkel von mehr als 90°, vorzugsweise von ca. 120°, bildet. So erhält man sowohl genügend Platz für das Abführen der Späne von den beiden Schneidekonturen 14, 15, als auch eine ausreichende mechanische Festigkeit der beiden Elemente 12, 13.

In den 3 und 4 zusammengenommen ist in axialer Richtung der tiefe Einschnitt vor der Fassadenfläche 13a und die Rille zwischen dem Sitzbereichelement 12 und dem Konuselement 13 zu sehen. Diese Zwischenräume können mittels des unten beschriebenen Verfahrens geschaffen werden. Aus 3 geht ferner die komplexe Konfiguration der kleinen Flächen des Sitzbereichelements 12 hervor, deren maßgenaue Fertigung ebenfalls mittels des unten beschriebenen Verfahrens möglich wird.

Für die Ausführungsformen des einstückigen Werkzeugs erfolgt die Positionierung des Werkzeugs 10 in mehreren Schritten: Zunächst wird seine Achse 16 in Übereinstimmung mit der Drehachse der Präzisionsspindel gebracht, und zwar durch Versetzen des Werkzeugs oder seiner Spannvorrichtung in der Richtung X und/oder Y (die mit der Richtung Z zusammen ein rechtwinkliges Koordinatensystem bilden, wobei die Richtung Z mit der Achse 16 zusammenfällt). Dies erfolgt mittels der Drehbewegung der Spindel in vier vorbestimmten rechtwinkligen Positionen (die im Verhältnis zu der Ebene der Fassade 12a stehen), die passend markiert sind, mittels der Bestimmung des Abstandes zwischen der genauen zylinderförmigen Fläche der Basis 10a und diesen Positionen im Verhältnis zu einem Präzisions-Skalenanzeiger (Mikrokator), der während des Positioniervorgangs feststehend angeordnet ist. Die so festgestellte Abweichung in der Richtung X oder Y wird durch Versetzen des Werkzeugs korrigiert, bis die Abweichung geringer ist als 0,5 &mgr;m.

Es werden sodann einige Probestücke gefertigt und ausgemessen. Die dabei festgestellten Abweichungen der hergestellten Rohspitzen gegenüber den gewünschten Abmessungen können folgendermaßen korrigiert werden:

Um die Durchmesser des Sitzbereichs 3 zu vergrößern, genügt es, das Werkzeug 10 parallel zur Ebene der Frontfläche, d. h. in der Richtung der Achse X zu versetzen. In dieser Richtung wurde die Ebene der Frontfläche 12a beim Einsetzen des Werkzeugs 10 präzise positioniert. Da der Winkel zwischen den Frontflächenebenen 12a und 13a größer als 90° ist, erreicht man dann eine Verringerung des Durchmessers des Konus 5a und des Absatzes 5c. Dies kann durch ein entsprechendes Versetzen zur Achse Y hin kompensiert werden. Indem man den Winkel zwischen den Frontflächenebenen 12a und 13a kennt, lässt sich numerisch oder graphisch sowohl in der Richtung X wie auch in der Richtung Y leicht die Amplitude der Versetzung bestimmen, die den gewünschten Durchmesser des Sitzbereichs 3 und die gewünschte Stärke der Kante 9 gewährleistet. Dabei muss allerdings noch darauf geachtet werden, dass die Achse 16 des Werkzeugs 10 genau parallel zur Achse der Präzisionsspindel verläuft.

Die Fertigung eines Werkzeugs gemäß der Erfindung erfolgt durch Drahterodieren und ist möglich, indem die oben genannten zylindrischen Hochpräzisions-Stäbe mit der Manteloberfläche in dem Basisteil 20a verwendet werden. Der Draht wird zunächst unter Anlegen einer geringen Spannung (beispielsweise 10 V) an die zylindrische Manteloberfläche des Stabs angenähert, bis ein Kontakt stattfindet, womit man infolge der präzisen Konfiguration des Stabs eine exakt wieder herzustellende und präzise definierte Position des Drahts, eigentlich seiner Manteloberfläche, zur Achse 16 des Stabs erreicht. Es ist also möglich, die verschiedenen Kanten, Oberflächen und Rillen des Werkzeugs 10 trotz verschiedener Positionswechsel oder Spannvorgänge des Werkzeugs 10 oder des Drahts mit der erforderlichen Genauigkeit herzustellen.

Zur Herstellung von Absätzen o. a., die weder parallel noch im rechten Winkel zu der Achse 16 ausgerichtet sein müssen, müssen andere Bezugsgrößen vorgesehen sein, seien es Oberflächen oder Kanten.

Dazu ist es notwendig, den Abstand zwischen der Manteloberfläche des Drahts und der zu bearbeitenden Oberfläche (Funkenerosionsschlitz) unter den Bearbeitungsbedingungen (Spannung wesentlich höher als bei dem oben erwähnten Messvorgang, verwendete Frequenz, Kapazität, Abmessung der Oberfläche usw.) zu bestimmen und in Versuchen zu berücksichtigen. Als Material für den Hochpräzisionsdraht kommen vorzugsweise Wolfram, Molybdän oder messingummantelter Stahldraht in Betracht.

Es muss nochmals darauf hingewiesen werden, dass der Durchmesser des Werkzeugs 10 in dessen zylindrischem Teil zur Positionsbestimmung nur mit 4 mm vorgesehen ist und dass die Position der Schneidekonturen 14, 15 mit einer Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer hergestellt werden muss. Die Oberflächen 12a, 12b, 12c der Schneidekontur 14 und die analogen Oberflächen der Schneidekontur 15 müssen der vorbestimmten Geometrie auf einen Mikrometer genau entsprechen.

In dieser Beschreibung wird nicht näher auf Details wie beispielsweise die Darstellung der Kante oder der Leiste 17 eingegangen, die als optisch erkennbare Bezugsgröße für den Einbau des Werkzeugs 10 hinsichtlich der genauen Ausrichtung zur Achse X sowohl bei seiner Fertigung wie auch bei seinem Gebrauch verwendet wird. Es wird lediglich festgestellt, dass es nicht unbedingt notwendig ist, bei der Fertigung wie auch beim Einbau des Werkzeugs 10 einen Bereich vorzusehen, der einen vollkommen kontinuierlichen zylinderförmigen Außenmantel aufweist, wie es die 2 und 4 zeigen, sondern dass es genügt, wenn dort Bereiche des zylinderförmigen Außenmantels von hoher Präzision vorhanden sind, wo es zur Einstellung oder zum Regeln der durch Funkenerodieren zu bearbeitenden Maschine und zum Einsetzen und Einstellen in der Spannvorrichtung der Präzisionsspindel unbedingt erforderlich ist.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann auf verschiedene Weisen modifiziert werden. So ist es zunächst möglich, die Form und Position der Schneidekonturen an die erforderliche Form des Sitzbereichs 3 (konische Bodenfläche 3b usw.) oder des Konus 5a an die Kugelschreiberspitze anzupassen. Es ist nicht erforderlich, dass sich ein anderer Konus 5b an den Konus 5a anschließt. Die axiale Länge des Basisteils 10a stellt klassischerweise das Doppelte des Durchmessers dar, ohne aber darauf beschränkt zu sein.