AT389661B - Verfahren und vorrichtung zum bearbeiten bzw. bohren, vorzugsweise feinbohren von elliptischen loechern - Google Patents

Description

Nr. 389661

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten bzw. Bohren, vorzugsweise Feinbohren von Löchern, mittels eines, zumindest eine Schneide tragenden Bohrkopfes, der an einer, in einer hohlen Außenspindel, exzentrisch zu dieser angeordneten Innenspindel befestigt ist

Beim Bohren bzw. Feinbohren von Bohrungen mit Kreisquerschnitt in Sondermaschinen oder Transfermaschinen werden Bohrspindeleinheiten auf, mit jeweils einem Hauptantrieb für die Bohrspindeleinheit versehenen, Vorschubschlitteneinheiten verwendet, wobei die jeweilige Bohrspindeleinheit ein an einer Vorschubschlitteneinheit befestigbares Spindelgehäuse, eine, in dem Spindelgehäuse, vorzugsweise in Präzisionswälzlagem, axial und radial gelagerte, rotierende, hohle Außenspindel und eine, zur hohlen Außenspindel parallele, in der Außenspindel zu deren Drehachse exzentrisch angeordnete Innenspindel mit einem, eine oder mehrere, gegebenenfalls verstellbare Schneiden tragenden Bohrkopf besitzt

Bekannte Bohrspindeleinheiten dieser Art werden in Transfermaschinen oder Sondermaschinen bei der Bearbeitung von Zylinderkurbelgehäusen, Pleuelstangen, Zylinderbüchsen etc., von PKW-Motoren, LKW-Motoren oder Großmotoren zur Bearbeitung der Bohrungen mit hoher Formgenauigkeit eingesetzt. Die beim Bohren bzw. Feinbohren einzuhaltenden Formtoleranzen liegen bei Zylinderbohrungen in PKW-Motoren im Bereich von 0,01 mm bis 0,005 mm (Zylinderform bzw. Rundheit). Die Transfermaschinen oder Sondermaschinen sind mit, am jeweiligen Maschinenständer verschiebbar gelagerten Vorschubschlitteneinheiten ausgerüstet, die jeweils eine Bohrspindeleinheit oder mehrere Bohrspindeleinheiten nebeneinander tragen, wobei meist für jede Bohrspindeleinheit ein eigener Hauptantrieb auf der Vorschubschlitteneinheit vorgesehen ist. Die bekannten Bohrspindeleinheiten sind für die Bearbeitung von Bohrungen mit Kreisquerschnitt ausgelegt, wobei der Bohrkopf an der Innenspindel befestigt ist, die nur zum radialen Verstellen einer Bohrkopfschneide beim Nachstellen oder beim Einstechen von Nuten oder Hinausläufen dient. Zu diesem Zweck kann die Innenspindel gegenüber der Außenspindel um einen begrenzten Winkel über einen Verstellmechanismus verdreht werden, steht aber gegenüber der Außenspindel still, wenn die Bohrung bearbeitet wird.

Bei einer bekannten Bohreinheit zum Herstellen von Nuten, Fasen oder anderen nichtzylindrischen Konturen an den Umfangswänden zylindrischer Bohrungen ist zwischen der hohlen, angetriebenen Außenspindel und der den Bohrkopf tragenden Innenspindel ein Exzentermechanismus vorgesehen, der durch Verdrehen zweier, als ineinander gesteckte Hülsen ausgebildeter Exzenter einen radialen Vorschub der Bohrkopfschneide ermöglicht, ohne die Bohrkopfschneide während der Vorschubbewegung gegenüber der Spindel zu verdrehen.

Zum Ausbohren von Stahlwerkskokillen mit eckigem Querschnitt ist eine Bohrspindel bekannt, bei der der Bohrstahlhalter über eine, zur Bohrspindel koaxiale, im Werkzeugkopf der Bohrspindel angeordnete Kurvenscheibe quer zur Bohrspindelachse verschiebbar ist. Die Kurvenscheibe ist an einer, in der hohlen Bohrspindel koaxial zu dieser angeordneten Welle befestigt, die von der Bohrspindel über ein zu ihr koaxiales Planetengetriebe mit einem, der Eckenzahl des Kokillenquerschnittes entsprechenden Vielfachen der Bohrspindeldrehzahl angetrieben wird.

Bei der Herstellung regelmäßiger vielkantiger Löcher geringer Tiefe mittels einer Bohrvorrichtung ist es bekannt, eine, ein Werkzeug tragende Innenspindel in einer hohlen parallelen Außenspindel exzentrisch zu lagern und zur Herstellung eines n-kantigen Loches die Außenspindel n-l-mal schneller anzutreiben als die Innenspindel. Der Antrieb der Innenspindel erfolgt über ein Stufengetriebe auf Drehmitte der Außenspindel und die Exzentrizität zur Innenspindel wird mittels einer beweglichen Kupplung überbrückt. Durch das notwendige Bewegungsspiel in der Kupplung und durch die von der Kupplung verursachten Schwingungen ist die Formgenauigkeit der hergestellten vielkantigen Löcher sehr gering und nur für kleine Lochgrößen und geringe Lochtiefen akzeptabel.

Zur Herstellung elliptischer Konturen an feststehenden Werkstücken ist das Kopierbohren bekannt, bei dem das Werkzeug mittels Planschieber und Kulisse radial verschoben wird. Bei einer Ellipse muß das Werkzeug bei jeder Umdrehung viermal die Differenz zwischen kleinstem und größtem Radius zurücklegen, wodurch umkehrende Beschleunigungskräfte entstehen, die umso größer sind, je größer die Differenz zwischen kleinstem , und größtem Radius ist, und die mit steigender Drehzahl sehr rasch unzulässige Größen annehmen, sodaß eine genaue Bearbeitung elliptischer Flächen mit wirtschaftlich vertretbaren und für eine hohe Oberflächengüte notwendigen Schnittgeschwindigkeiten nicht möglich ist

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung von elliptischen Konturen an nicht rotierenden Werkstücken ist das Zirkularfräsen, bei dem der, auf einer rotierenden Werkzeugspindel montierte, mehrschneidige Fräser gegenüber dem Werkstück auf einer Ellipseribahn geführt wird und jede Schneide des Fräsers bei jeder Umdrehung in die Werkstückoberfläche einmal eintaucht und wieder austaucht. Die Ellipsenbahn des Fräsers wird mit Hilfe eines NC-gesteuerten Kreuztisches, auf dem das Werkstück gespannt ist, erzeugt, wodurch keine exakte elliptische Bahn für den Fräser erhalten wird. Mit dem Zirkularfräsen ist daher keine genaue Bearbeitung elliptischer Flächen möglich. Ein weiterer Nachteil des Zirkularfräsens hinsichtlich Formgenauigkeit und Oberflächengüte der bearbeiteten Räche liegt im mehrschneidigen Werkzeug, da sich dessen Schneiden nicht genau auf einen Durchmesser und eine Höhe einstellen lassen und die erzeugte Kontur aus vielen kleinen Kreisbögen besteht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten von elliptischen Innenflächen an feststehenden Werkstücken anzugeben, die hohe Schnittgeschwindigkeiten ermöglichen und eine hohe Formgenauigkeit und eine hohe Oberflächengüte bzw. geringe Oberflächenrauhigkeit der bearbeiteten Fläche gewährleisten. -2-

Nr. 389661

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Bearbeiten bzw. Bohren, vorzugsweise Feinbohren von Löchern, mittels eines, zumindest eine Schneide tragenden Bohrkopfes, der an einer, in einer hohlen Außenspindel, exzentrisch zu dieser angeordneten Innenspindel befestigt ist, vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß Außenspindel und Innenspindel um, in einem bestimmten Abstand parallel zueinander angeordnete Drehachsen gegensinnig rotieren und daß die Innenspindel mit der doppelten Drehzahl der Außenspindel gegenläufig zu dieser rotiert.

Weiters wird erfindungsgemäß als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine Bohrspindeleinheit zum Bearbeiten bzw. Bohren, vorzugsweise Feinbohren von Löchern, für mit einem Hauptantrieb für die Bohrspindeleinheit versehene Vorschubschlitteneinheiten, vorgeschlagen, bei der die Bohrspindeleinheit ein, an einer Vorschubschlitteneinheit befestigbares Spindelgehäuse, eine, in dem Spindelgehäuse, vorzugsweise in Präzisionswälzlagem, axial und radial gelagerte, rotierende, hohle Außenspindel und eine, zur hohlen Außenspindel parallele, in der Außenspindel zu deren Drehachse exzentrisch angeordnete Innenspindel mit einem, eine oder mehrere, gegebenenfalls verstellbare Schneiden tragenden Bohrkopf besitzt, und welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Innenspindel als, mit der doppelten Drehzahl der Außenspindel entgegengesetzt zu dieser rotierende, vorzugsweise in Präzisionswälzlager gelagerte Bohrspindel ausgebildet ist, und daß die Innenspindel mit der Außenspindel über ein Planetengetriebe verbunden ist, dessen mit der Innenspindel drehfest verbundenes Sonnenrad exzentrisch zu dem mit der Außenspindel drehfest verbundenen Steg und exzentrisch zu dem, zur Außenspindel koaxialen, mit dem Spindelgehäuse fest verbundenen, stillstehenden Hohlrad angeordnet ist, wobei der vom Hauptantrieb antreibbare Steg zumindest ein ineinandergreifendes Zahnradpaar trägt, von dem ein Zahnrad mit dem Sonnenrad kämmt, während das andere Zahnrad mit dem Hohlrad kämmt

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Bohrspindeleinheit kann z. B. eine elliptische Zylinderbohrung eines PKW-Motors in einem einzigen Schnitt mit hoher Schnittgeschwindigkeit und mit präziser Einhaltung der, einer exakten Ellipse entsprechenden Bahn der Bohrkopfschneide gefertigt werden.

Die erfindungsgemäße Bohrspindeleinheit gewährleistet mit der Verbindung der beiden exzentrisch angeordneten Spindeln über ein, bezüglich des Sonnenrades exzentrisch ausgebildetes Planetengetriebe einen ruhigen und schwingungsfreien Lauf der beiden Spindeln und stellt eine, auch über lange Bearbeitungszeiten präzise Einhaltung der Ellipsenbahn der Bohrkopfschneiden sicher. Auf diese Weise wird eine hohe Formgenauigkeit und eine geringe Oberflächenrauhigkeit erreicht, wobei die bei Zylinderbohrungen in PKW-Motoren üblichen Formtoleranzen auch bei elliptischem Zylinderquerschnitt erzielt werden.

Die Erfindung erlaubt ein einfaches und präzises Auswuchten der Bohrspindeleinheit, was für eine hohe Formgenauigkeit bei hohen Schnittgeschwindigkeiten sehr wichtig ist. Darüberhinaus erlaubt die Erfindung das Beibehalten des bisherigen Maschinenaufbaues mit starrem Maschinenständer samt Vorschubschlitteneinheit und starrer Aufspannvorrichtung für das Werkstück.

Nachstehend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel einer Bohrspindeleinheit anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 eine Sonderwerkzeugmaschine zum Bohren von Zylinderbohrungen mit Vorschubschlitteneinheit und Bohrspindeleinheit in Seitenansicht, Fig. 2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Bohrspindeleinheit mit, in eine Zylinderbohrung eingefahrenem Bohrkopf, Fig. 3 einen Querschnitt durch Bohrung und Bohrkopf entlang der Linie (3-3) in Fig. 2, Fig. 4 einen Querschnitt durch das Planetengetriebe der Bohrspindeleinheit entlang der Linie (4-4) in Fig. 5, Fig. 5 einen Querschnitt durch die Bohrspindeleinheit entlang der Linie (5-5) der Fig. 4, und Fig. 6 schematisch das erfindungsgemäße Bohrverfahren.

Die in Fig. 1 dargestellten Sonderwerkzeugmaschine zum Bohren von elliptischen Zylinderbohrungen in den Kurbelgehäusen von PKW-Motoren besteht aus einem Maschinenständer (10), auf dem eine oder mehrere, vertikal verschiebbare Vorschubschlitteneinheiten (11) mit Gegengewichtsanlage (12) und Vorschubantrieb (13) angeordnet sind, und einem Maschinenbett (14), welches eine Aufspannvorrichtung (15) zum Spannen des Werkstückes (16) und ein Schutzblech (17) trägt. Das Werkstück (16) ist beispielsweise ein Zylinderkurbelgehäuse eines Reihen-4-Zylinder PKW-Motores mit elliptischen Zylinderbohrungen (18).

Auf einer, mittels eines Vorschubantriebes (13) vertikal verschiebbaren Vorschubschlitteneinheit (11) ist eine Bohrspindeleinheit (19), ein Hauptantrieb (20) für die Bohrspindeleinheit (19) und eine Bohrkopfsteuerung (21) für den Bohrkopf (22) der Bohrspindeleinheit (19) montiert.

Die erfindungsgemäße Bohrspindeleinheit (19) besitzt ein, auf der Vorschubschlitteneinheit (11) abnehmbar befestigtes Spindelgehäuse (23), in dem eine hohle Außenspindel (24), in Wälzlagern (25), vorzugsweise Präzisionswälzlagem, axial und radial gelagert ist In einer zur Rotationsachse (26) der hohlen Außenspindel (24) exzentrisch angeordneten, zylindrischen Bohrung (27) ist eine Innenspindel (28) in Wälzlagern (29), vorzugsweise Präzisionswälzlagem, axial und radial gelagert. Die Rotationsachse (30) der Innenspindel (28) liegt parallel zur Rotationsachse (26) der Außenspindel und ist gegenüber dieser um den Betrag (e) versetzt. Am unteren Ende der Innenspindel (28) ist der Bohrkopf (22) montiert, der eine Vorfeinbohrschneide (31), eine Fasenschneide (32) und eine gesteuerte Feinbohrschneide (33) trägt. Die Feinbohrschneide (33) ist auf einem steuerbaren Werkzeughalter (34) montiert, der über eine keilförmige Fläche (35) auf einer Bohrkopfbetätigungsstange (36) gesteuert wird. Die Bohrkopfbetätigungsstange (36) ist in der Innenspindel (28) koaxial zur Rotationsachse (30) angeordnet und über einen, aus dem oberen Ende der Innenspindel (28) herausragenden Fortsatz (37) mit der zur Rotationsachse (26) koaxialen Bohrkopfsteuerung (21) verbunden. -3-

Nr. 389661

Die Exzentrizität zwischen der zusammen mit der Innenspindel (28) rotierenden Bohrkopfbetätigungsstange (36) und der nicht rotierenden Bohrkopfsteuerung (21) wird mittels einer nicht dargestellten Kupplung ausgeglichen.

Am oberen Ende des Spindelgehäuses (23) ist ein Planetengetriebe (38) montiert, das über einen Zahnriemen (39) vom Hauptantrieb (20) angetrieben wird. Das Planetengetriebe (38) besteht aus einem stillstehenden, zur Rotationsachse (26) koaxialen Hohlrad (40), das über einen Gehäusering (41) mit dem Spindelgehäuse (23) fest verbunden ist, einem, zur Rotationsachse (30) koaxialen Sonnenrad (42), das über eine Paßfeder (43) drehfest mit der Innenspindel (28) verbunden ist, und aus einem, zur Rotationsachse (26) koaxialen Steg (44), der mit der Außenspindel (24) drehfest verbunden ist. Im Steg (44) sind zwei, ineinandergreifende Zahnräder (45,46) drehbar gelagert, von denen das eine Zahnrad (45) mit dem Sonnenrad (42) im Eingriff steht, während das andere Zahnrad (46) mit dem Hohlrad (40) im Eingriff steht Mit dem Steg (44) ist weiters ein vom Zahnriemen (39) angetriebenes Zahnrad (47) mittels einer Paßfeder (48) drehfest verbunden. Schließlich ist am Steg (44) ein, das stillstehende Hohlrad (40) überdeckender Außenring (49) befestigt.

Bei der erfindungsgemäßen Bohrspindeleinheit (19) zum Bohren elliptischer Bohrungen erfolgt die Vorschubsteuerung über den Vorschubantrieb (13) und die Vorschubschlitteneinheit (11).

Beim Bohrverfahren der vorliegenden Erfindung entsteht die elliptische Bohrkontur dadurch, daß die, um ein genau definiertes Maß (e) exzentrisch zur Außenspindel (24) gelagerte Innenspindel (28) mit doppelter Drehzahl entgegengesetzt zur Außenspindel (24) rotiert. Dies ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Während des erfindungsgemäßen Bohrverfahrens dreht sich die Außenspindel (24) um die Rotationsachse (26) entgegen dem Uhrzeigersinn, sodaß die Mitte (30) der Innenspindel (28) nacheinander die Punkte (1', 2', 3', 4', 5', 6') durchläuft, während sich die Innenspindel (28) gleichzeitig im Uhrzeigersinn um den jeweils doppelten Winkel um ihre Rotationsachse (30) dreht, sodaß jede Schneide (31, 32, 33) nacheinander die Punkte (1, 2, 3,4, 5,6) durchläuft. Auf diese Weise beschreibt jede Schneide gegenüber dem feststehenden Werkstück eine theoretisch genaue elliptische Bahn, wobei jede Bahnellipse durch den Abstand (S) der jeweiligen Schneide von der Rotationsachse (30) der Innenspindel (28) - dieser Abstand entspricht in Fig. 6 jeweils den Strecken (1-1', 2-2', 3-3', 4-4', 5-5', 6-6') - und durch den Abstand (e) der beiden Rotationsachsen (26, 30) exakt bestimmt ist.

Die Länge der Ellipsenhauptachsen (2a, 2b) sind festgelegt durch: a = s - e und b = s + e und für einen Punkt der Schneidenbahn z. B. Punkt (2) mit den Koordinaten x, y gilt: x = a sin c, y = b cos c, wobei (c) der Drehwinkel der Außenspindel ist

Setzt man diese Koordinaten in die Mittelpunktsgleichung der Ellipse mit den Halbachsen (a, b) ein, so ergibt sich: P/P + pfP = 1, (a sin cp/P + (b cos cp/P = 1, sin^c + cos^c = 1, weshalb der Punkt (2) (x,y) exakt auf dieser Ellipse liegt

Die Festlegung der Drehzahlen von Innenspindel (28) und Außenspindel (24) erfolgt über das Planetengetriebe (38) ebenso wie die Einstellung der Winkellage der Innenspindel (28) gegenüber der Außenspindel (24). Durch das mit dem Steg (44) umlaufende Zahnradpaar (45, 46) wird einerseits die Innenspindel (28) mit der doppelten Drehzahl der Außenspindel (24) angetrieben und anderseits die Drehrichtung der Innenspindel (28) gegenüber der Außenspindel (24) umgekehrt. Selbstverständlich kann am Steg, falls erforderlich, auch ein zweites oder drittes Zahnradpaar vorgesehen werden.

Beim Bearbeiten einer elliptischen Zylinderbohrung (18) in einem Zylinderkurbelgehäuse eines Fahrzeugmotois wird zuerst die Bohrspindeleinheit (19) von der Vorschubschlitteneinheit (11) im Eilgang bis an die Zylinderbohrung (18) herangefahren, dann wird die Bohrung (18) im Vorschub-vor mittels der Vorfeinbohrschneide (31) vorfeingebohrt, wobei die Feinbohrschneide (33) mittels der Bohrkopfbetätigungsstange (36) abgehoben ist. Nun wird die Bohrspindeleinheit (19) bis zum Fasen im Eilgang vorgefahren und dann mit der Fasenschneide (32) die obere Fase der Bohrung (18) gefertigt. - Anschließend wird die Bohrspindeleinheit (19) zum Abheben der Fasenschneide (34) ein kurzes Stück zurückgefahren und die Feinbohrschneide (33) durch Zurückziehen der Bohrkopfbetätigungsstange (36) zugestellt. Dann wird die Bohrung (18) im Vorschub-Zurück der Bohrspindeleinheit (19) feingebohrt. Danach wird die Bohrspindeleinheit (19) im Eilgang in die Ausgangsstellung zurückgefahren.

Die Steuerung der Feinbohrschneide (33) über die Bohrkopfbetätigungsstange (36), wie Einstellen, Nachstellen, Zustellen, Abheben der Feinbohrschneide (33), erfolgt in bekannter Weise in der Bohrkopfsteuerung (21).

Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das Bearbeiten von elliptischen Zylinderbohrungen in den Zylinderkurbelgehäusen von PKW-Motoren beschränkt, sonderen allgemein auf das Bearbeiten elliptischer Zylinderinnenflächen in feststehenden Weikstücken anwendbar. Dabei ist vorallem die hohe Formgenauigkeit der gebohrten Oberfläche, auch bei Bearbeitungsflächen mit in Längsrichtung der jeweiligen Zylinderachse sehr großen Längsastreckungen von Vorteil. -4-

Claims (2)

1. Nr. 389661 PATENTANSPRÜCHE 1. Bohrspindeleinheit zum Bearbeiten bzw. Bohren, vorzugsweise Feinbohren von Löchern, für mit einem Hauptantrieb für die Bohrspindeleinheit versehene Vorschubschlitteneinheiten, wobei die Bohrspindeleinheit ein, an einer Vorschubschlitteneinheit befestigbares Spindelgehäuse, eine, in dem Spindelgehäuse, vorzugsweise in Präzisionswälzlagem, axial und radial gelagerte, rotierende, hohle Außenspindel und eine, zur hohlen Außenspindel parallele, in der Außenspindel zu deren Drehachse exzentrisch angeordnete Innenspindel mit einem, eine oder mehrere, gegebenenfalls verstellbare Schneiden tragenden Bohrkopf besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenspindel (28) als, mit der doppelten Drehzahl der Außenspindel (24), entgegengesetzt zu dieser rotierende, vorzugsweise im Präzisionswälzlager gelagerte Bohrspindel ausgebildet ist, und daß die Innenspindel (28) mit der Außenspindel (24) über ein Planetengetriebe (38) verbunden ist, dessen mit der Innenspindel (28) drehfest verbundenes Sonnenrad (42) exzentrisch zu dem mit der Außenspindel (28) drehfest verbundenen Steg (44) und exzentrisch zu dem, zur Außenspindel (24) koaxialen, mit dem Spindelgehäuse (23) fest verbundenen, stillstehenden Hohlrad (40) angeordnet ist, wobei der vom Hauptantrieb (20) antreibbare Steg (44) zumindest ein ineinandergreifendes Zahnradpaar trägt, von dem ein Zahnrad (45) mit dem Sonnenrad (42) kämmt, während das andere Zahnrad (46) mit dem Hohlrad (40) kämmt
2. 2. Verfahren zum Bearbeiten bzw. Bohren, vorzugsweise Feinbohien von Löchern, mittels eines, zumindest eine Schneide tragenden Bohrkopfes, der an einer, in einer hohlen Außenspindel, exzentrisch zu dieser angeordneten Innenspindel befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß Außenspindel und Innenspindel um, in einem bestimmten Abstand parallel zueinander angeordnete, Drehachsen gegensinnig rotieren und daß die Innenspindel mit der doppelten Drehzahl der Außenspindel gegenläufig zu dieser rotiert Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-