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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Bohrung mit
ellipsenförmigem
Querschnitt in ein Werkstück
mittels eines rotierenden spanenden Werkzeugs.
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Des
Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Software zur Werkzeugsteuerung
zur Durchführung
des Verfahrens zum Einbringen des ellipsenförmigen Bohrung in das Werkstück und die Verwendung
eines wenigstens vier Achsen aufweisenden Bohrwerkes zur Durchführung des
Verfahrens.
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Üblicherweise
werden Bohrungen oder negative Formelemente mittels eines spanenden
Bearbeitungsverfahrens in einem Werkstück erzeugt. Dafür werden
rotierende Werkzeuge wie zum Beispiel Bohrer oder Fräsköpfe benutzt,
die eine Bohrung mit kreisrundem Durchmesser erzeugen. Oftmals dienen diese
Bohrungen zur Aufnahme von Wellen oder Achszapfen zur gelenkigen
Lagerung des Werkstücks
beziehungsweise der Lagerung der im Werkstück gelagerten Achse oder Welle.
Zum Zweck der optimalen Schmierung der Achse oder Weile im Werkstück kann
es wie zum Bespiel bei einem einen Kolben aufnehmenden Pleuelauge
erforderlich sein, dass die Bohrung nicht einen kreisförmigen Querschnitt,
sondern einen ellipsenförmigen
Querschnitt aufweist. Dieser ellipsenförmige Querschnitt bewirkt eine
Vergleichmäßigung eines
Schmierspaltes im Pleuelauge bei Zugbeziehungsweise Druckbelastung
unter Einsatzbedingungen. Die Herstellung einer solchen Bohrung
mit ellipsenförmigem
Querschnitt ist allerdings mit spanenden Verfahren nur erschwert
möglich.
Eine Möglichkeit
ist zum Beispiel, die exzentrische Ausfräsung einer vorher hergestellten,
zylindrischen Bohrung mit einem Fräskopf herzustellen, der einen
geringeren Durchmesser aufweist als das Längsmaß der doppelten kleinen Halbachse
der Ellipse beträgt.
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Eine
weitere aus dem Stand der Technik bekannte Methode ist die Bohrung
beziehungsweise Fräsung
einer zylinderförmigen
Bohrung unter Druckkraftbeaufschlagung des zu fertigenden Bauteils.
Dieses Verfahren ist in 1 angedeutet, in der dargestellt
ist, dass beidseitig auf ein Auge zur Aufnahme des Kolbens 14 eines
als Pleuel aufgeführten Werkstücks 10 eine
Druckkraft 16 wirkt. Unter Beaufschlagung des Werkstücks 10 mit
der Druckkraft 16 wird entlang der Längsachse der zu erzeugenden Bohrung 13 die
Bohrung mit dem gezeigten kreisrunden Außendurchmesser in das Werkstück 10 eingebracht.
Nach erfolgter spanender Bearbeitung wird die Druckkraft 16 vom
Werkstück 10 weggenommen, wodurch
sich aufgrund der Elastizität
des Werkstücks 10 eine
Oualität
der erzeugten Bohrung herausstellt, deren Exzentrizität senkrecht
zur Längsachse 11 des Werkstücks 10 verläuft. Nachteilig
an diesem Verfahren ist, dass während
der spanenden Bearbeitung, also während des Feinbohrens, gleichzeitig
eine Einrichtung zur Aufbringung einer Druckkraft auf das Werkstück 10 eingesetzt
werden muss. Des Weiteren ist die Ausschussrate von zu produzierenden
Teilen relativ hoch, da geometrieabhängig die Werkstücke 10 ein
unterschiedliches Rückfederungsverhalten
aufweisen und somit nach erfolgter spanender Bearbeitung sich unterschiedliche
Exzentrizitätswerte
der ellipsenförmigen
Bohrungen herausstellen, welche relativ oft eine unzulässige Abweichung
zu den erforderlichen geometrischen Abmaßen aufweisen. Erfahrungsgemäß sind die
ersten 5% der produzierten Teile so genannte Einfahrteile, dass
heißt, dass
diese Teile zur versuchsweisen Ermittlung der erforderlichen Druckkraft
und Einstellparameter benötigt
werden, um anschließend
nach Veränderung der
Parameter Werkstücke
zu erhalten, die den angegebenen Maßen und Toleranzen genügen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu
stellen, mit dem in einfacher und zuverlässiger Weise eine den gewünschten
Abmaßen
entsprechende Bohrung mit elliptischem Querschnitt in ein Werkstück eingebracht
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch das im Anspruch 1 genannte Verfahren gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den vom Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen 2 bis 7
dargestellt.
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Außerdem wird
die Aufgabe durch eine Software zur Werkzeugsteuerung zur Durchführung des Verfahrens
gemäß den Ansprüchen 8 und
9 und durch die erfindungsgemäße Verwendung
eines mindestens vier Achsen aufweisenden Bohrwerkes gelöst.
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Es
wird ein Verfahren zum Einbringen einer Bohrung mit ellipsenförmigem Querschnitt
in ein Werkstück
mittels eines rotierenden spanenden Werkzeugs zur Verfügung gestellt,
bei dem die Werkzeug-Rotationsachse in einem Anstellwinkel von 0,05° bis 5° zur Längsachse
der zu erzeugenden Bohrung verläuft
und das rotierende Werkzeug während
des Spanungsprozesses in einer linearen Vorschubbewegung entlang
der Längsachse
der zu erzeugenden Bohrung bewegt wird. Das heißt, dass das rotierende Werkzeug
mit einer Komponente entlang der Werkzeug-Rotationsachse und mit
einer weiteren Komponente senkrecht zur Werkzeug-Rotationsachse
bewegt wird. Dabei verfährt
das rotierende Werkzeug auf einer geraden Linie. Das Werkzeug verfährt somit
simultan in zwei Achsen, nämlich bei
Festlegung der z-Achse als der Vorschubachse entlang der Rotationsachse
des Werkzeugs in diese z-Richtung und in die senkrecht zur z-Achse
angeordnete x-Achse, wobei bei Verwendung eines Bearbeitungszentrums,
wie zum Beispiel eines Bohrwerkes, durch die z- und x-Achse eine
Ebene aufgespannt wird, die parallel zur Fläche des Bohrwerktisches verläuft. Durch
die simultane Bewegung des Werkzeugs in der Ebene, die durch die
z- und x-Achse aufgespannt wird, ergibt sich eine Bewegung des Werkzeugs
in einem geradlinigen Verlauf. Das heißt, dass das rotierende Werkzeug
vor dem Eintauchen in das Werkstück
schräg
gestellt wird und winklig zu seiner Rotationsachse durch das Werkstück hindurch geführt wird.
Somit ergibt sich als Bohrung im Werkstück keine zylindrische, sondern
eine Bohrung mit elliptischen Querschnitt. Das Maß der Exzentrizität des elliptischen
Querschnitts lässt
sich dabei durch den Anstellwinkel des Werkzeugs im Bezug auf das Werkstück einstellen.
Mittels moderner NC-gesteuerter Werkzeugmaschinen und Steuerungen,
wie zum Beispiel einer eigens dazu angefertigten Software, lässt sich
somit in einfacher Weise und ohne Produktion von Versuchsbauteilen
eine maßlich
exakte Bohrung mit elliptischem Querschnitt in ein Werkstück einbringen.
Das heißt,
dass im Vergleich zum Stand der Technik der gerätetechnische Aufwand zur Erzeugung
einer Druckkraft auf das zu bearbeitende Werkstück eingespart wird, die Bearbeitungszeit
für eine
Serie von Werkstücken
wegen des Wegfalls von Versuchsbauteilen verringert wird und insgesamt
die Ausschussrate gesenkt wird. Der Vorschub und die Schnittgeschwindigkeit
des rotierenden Werkzeugs kann dabei derart gewählt werden, dass eine Rautiefe
von 1,2 μm
in der Wandung der Bohrung mit dem elliptischen Querschnitt hergestellt
wird.
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Vorteilhafterweise
wird das Verfahren zur Herstellung eines Pleuel eingesetzt, wobei
die herzustellende elliptische Bohrung zur Aufnahme eines Kolbens
dient. Die Werkzeug-Rotationsachse
hat dabei einen Winkel von 0,05°–5° zur Senkrechten
zu der durch beide Augen des Pleuel führenden Längsachse des Pleuels. Die Werkzeug-Rotationsachse weist
somit einen Winkel von 90,5°–95° zu der durch beide
Augen des Pleuels führenden
Längsachse
des Pleuels auf. Die elliptische Bohrung kann dabei derart hergestellt
werden, dass sie in Längsrichtung
des Pleuels einen Durchmesser von 26 mm aufweist mit einer unteren
Toleranz von 0,024 mm und einer oberen Toleranz von 0,03 mm. Die
Abmessung der längeren
Ausdehnung des ellipsenförmigen
Querschnitts, das heißt
die Summe der beiden großen Halbachsen
der Ellipse, kann das Maß von
26,006 mm aufweisen, wobei die 6 μm
das Maß für die Oualität der elliptischen
Bohrung ist. Dieses Maß von 26,006
mm kann eine untere Toleranz wie das Maß für die kurze Ausdehnung der
Ellipse aufweisen, nämlich
eine untere Toleranz von 0,024 mm und eine obere Toleranz von 0,03
mm, wobei diese Abmaße ebenfalls
durch eine zusätzliche
Toleranz von 0,008 toleriert sind. Das heißt, dass die Bohrung mit dem
ellipsenförmigen
Durchmesser in ihrer längeren
Ausdehnung das minimale Maß von
26,003 mm und das maximale Maß von
26,004 mm aufweisen kann.
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Es
hat sich als vorteilhaft bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
herausgestellt, dass ein Werkzeug ein Fräskopf mit nur einer Schneide
ist. Durch die Anordnung von nur einer Schneide an einem Fräskopf wird
das Verfahren hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Einhaltung der
erforderlichen Maße
sowie der zu erzeugenden Rautiefe günstig beeinflusst. Alternativ
lassen sich auch Werkzeuge mit mehreren Schneiden einsetzen.
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Zur
Erreichung der korrekten Endabmaße mit den angegebenen Toleranzen
ist des Weiteren vorgesehen, dass die Werkzeug-Rotationsachse in einem
Anstellwinkel von 0,13° zur
Längsachse
zu der zu erzeugenden Bohrung verläuft. Mit diesem Anstellwinkel
von 0,13° werden
insbesondere die angegebenen Ausdehnungswerte der Bohrung mit dem elliptischen
Durchmesser erzeugt.
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Zur
zeitlichen und energetischen Optimierung des Arbeitsverfahrens ist
weiterhin vorgesehen, dass vor Erzeugung der elliptischen Bohrung
eine zylindrische Bohrung in das Werkstück eingebracht wird. Diese
zylindrische Bohrung kann annähernd den
Wert der geringeren Weite der einzubringenden elliptischen Bohrung
aufweisen. Damit ist es bei der Erzeugung der elliptischen Bohrung
nicht mehr erforderlich, diese aus Vollmaterial anzufertigen.
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Vorteilhafterweise
wird die elliptische Bohrung unter Verwendung eines Bohrtisches
eines Bohrwerkes hergestellt, bei dem zur Erzeugung des Winkels
von 0,05°–5° der Achsabweichung
der Bohrtisch, auf dem das Werkstück festgespannt ist, um den
Winkel von 0,05°–5° im Bezug
zur Werkzeug-Rotationsachse verdreht wird. Bei Einstellung des vorteilhaften
Anstellwinkels von 0,13° wird
der Bohrtisch selbstverständlich
nur um 0,13° im
Bezug zur Werkzeug-Rotationsachse verdreht. Die als z-Achse bezeichnete
Werkzeug-Rotationsachse
ist dabei durch die Rotationsachse der Arbeitsspindel des Bohrwerkes
festgelegt. Die genannte x-Achse verläuft senkrecht zur z-Achse parallel
zur Oberfläche
des Bohrtisches. Das Werkzeug wird während des Spanungsprozesses
simultan in z- und x-Richtung
verfahren.
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Zur
weiteren Optimierung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das
Werkzeug vor dem Spanungsprozess entlang der Werkzeug-Rotationsachse
an das zu bearbeitende Werkstück
herangeführt
wird. Das heißt,
dass das Werkzeug an das Werkstück
bis zu einem Punkt herangeführt
wird, an dem die Längsachse
der zu erzeugenden Bohrung, die Werkzeug-Rotationsachse sowie die
durch die umlaufende Schneide des Werkzeugs definierte Schnittkante
einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen. Nach Erreichung dieses
Schnittpunktes wird das rotierende Werkzeug wie in Anspruch 1 beansprucht
durch das Werkstück
hindurch geführt.
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Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird des Weiteren eine Software zur Werkzeugsteuerung zur Verfügung gestellt,
wobei die Software derart ausgestaltet ist, dass sie die Bewegung
eines rotierenden Werkzeugs entlang einer linearen Achse mit einer
Komponente entlang der Werkzeug-Rotationsachse und mit einer Komponente
senkrecht zur Werkzeug-Rotationsachse ermöglicht. Das heißt, dass
die Software das Verfahren des Werkzeugs simultan in zwei Achsen,
nämlich
der z- und x-Achse, ermöglicht.
Die Software kann dabei derart ausgestaltet sein, dass sie nach
Eingabe der gewünschten
Oualität
beziehungsweise Exzentrizität der
zu erzeugenden Bohrung mit elliptischem Querschnitt die automatische
Einstellung des Anstellwinkels von 0,05°–5° zur Längsachse der zu erzeugenden
Bohrung ermöglicht.
Entsprechend der geforderten Oualität der Ellipse kann die Software
die Drehbewegung des Bohrwerktisches bis in eine Stellung bewirken,
in der die Rotationsachse der Arbeitsspindel einen Winkel von 90,05°–95° zu der durch
beide Augen des Pleuels führenden
Längsachse
des Pleuels aufweist.
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Die
Erfindung umfasst außerdem
die Verwendung eines mindestens vier Achsen aufweisenden Bohrwerkes
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Bohrwerk arbeitet die durch die erfindungsgemäße Software
vorgegebenen Befehle ab und ermöglicht
somit die automatische Herstellung einer Bohrung mit elliptischem
Querschnitt in einem Werkstück.
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Die
Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 ein
Pleuel bei Einbringung einer elliptischen Bohrung gemäß eines
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens;
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2 ein
Pleuel als zu bearbeitendes Werkstück in Ansicht von vorn;
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3 das
Pleuel als zu bearbeitendes Werkstück in Ansicht von der Seite
vor der Bearbeitung durch ein Werkzeug und
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4 eine
Aufnahmeeinrichtung mit darin aufgenommenen zu bearbeitenden Werkstücken.
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1 wurde
bereits bei der Erwähnung
des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens erläutert.
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In 2 ist
ein zu bearbeitendes Werkstück 10 dargestellt,
welches in diesem Fall ein Pleuel eines Verbrennungsmotors ist.
Dieses Pleuel 10 weist ein Auge zur Aufnahme des Kolbens 14 und
am gegenüberliegenden
Ende ein Auge zur Aufnahme der Kurbelwelle 15 auf. Entlang
der Längserstreckungsrichtung
des Werkstücks 10 und
durch die Augen 14 und 15 hindurch führend verläuft die
Längsachse
des Werkstücks 11.
Das Auge zur Aufnahme des Kolbens 14 ist dabei die Bohrung 12,
deren Längsachse 23 senkrecht
zur Projektionsfläche
verläuft.
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In 3 ist
dasselbe Werkstück 10 in
der Ansicht von der Seite dargestellt. Vor dem Eingriff mit dem
Werkstück 10 ist
das Werkzeug 20 dargestellt, welches eine Werkzeug-Rotationsachse 21 aufweist. Zur
spanenden Bearbeitung des Werkstücks 10 weist das
Werkzeug 20 des Weiteren mindestens eine Schneide 22 auf.
Das Werkzeug 20 ist in einem Anstellwinkel 30 im
Bezug auf die Längsachse
der zu erzeugenden Bohrung 13 angeordnet. Die Werkzeug-Rotationsachse 21 und
die Längsachse
der zu erzeugenden Bohrung 13 bilden einen gemeinsamen Schnittpunkt 31 aus.
Vor der eigentlichen spanenden Bearbeitung des Werkstücks 10 wird
das Werkzeug 20 bis zu diesem Schnittpunkt 31 auf
der Werkzeug-Rotationsachse 21 an das Werkstück 10 herangeführt. Anschließend verfährt das
Werkzeug 20 in dem Anstellwinkel 30 auf der Längsachse
der zu erzeugenden Bohrung 13 durch das Werkstück 10.
Dadurch erzeugt das Werkzeug 20 im Werkstück 10 eine
Bohrung, die der Projektion des im Wesentlichen rund ausgestalteten
Werkzeugs 20 auf das Werkstück 10 entspricht.
Diese Projektion ist elliptisch, dadurch wird durch das rotierende
Werkzeug 20 ebenfalls eine Bohrung mit elliptischem Querschnitt
im Werkstück 10 erzeugt.
Bei der Hindurchführung
des Werkzeugs 20 durch das Werkstück 10 verfährt das
Werkzeug 20 auf der z-Achse 40 und gleichzeitig
auf der x-Achse 50, um den linearen Verlauf der Längsachse
der zu erzeugenden Bohrung 13 zu folgen. Das bedeutet,
dass die Werkzeugmaschine in einer Bewegung in zwei Achsen simultan
gesteuert werden muss. Mit modernen NC-gesteuerten Werkzeugmaschinen
lässt sich
dies durch Eingabe eines geeigneten Steuerprogramms ermöglichen. Somit
ist es möglich,
unter dem Einsatz von moderner Werkzeugmaschinentechnik und entsprechender Steuerungen
Bohrungen mit elliptischem Querschnitt in Werkstücken zu erzeugen, ohne dabei
eine hohe Ausschussrate in Kauf nehmen zu müssen oder zusätzliche
finanzielle Mittel für
den Einsatz zusätzlicher
Bearbeitungseinrichtungen verwenden zu müssen.
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In 4 ist
eine Aufnahmeeinrichtung dargestellt, in der zumindest zwei der
zu bearbeitenden Werkstücke 10 aufnehmbar
sind. Diese Aufnahmeeinrichtung ist ein Spannwerkzeug, in welchem
die zu bearbeitenden Pleuel eingespant werden können und somit bei fester Montage
auf dem Bohrwerkstisch mit diesem um den Anstellwinkel verschwenkt werden
können,
so dass das Werkzeug 20 in beanspruchter Verfahrensweise
die Werkstücke 10 spanen
kann. Bei Verwendung des gezeigten Spannwerkzeuges 60 ist
somit die zeitnahe Bearbeitung von zwei Werkstücken 10 möglich, wobei
das Bearbeitungswerkzeug nach der spanenden Bearbeitung eines ersten
Werkstücks 10 lediglich
entlang der y-Achse der Werkzeugmaschine verfahren werden muss,
um für
die Bearbeitung des zweiten Werkstücks 10 einsetzbar
zu sein. Die Einstellung des Anstellwinkels 30 mittels
des Bohrtisches der Werkzeugmaschine kann dabei beibehalten werden.
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- 10
- Werkstück
- 11
- Längsachse
des Werkstückes
- 12
- Bohrung
- 13
- Längsachse
der zu erzeugenden Bohrung
- 14
- Auge
zur Aufnahme des Kolbens
- 15
- Auge
zur Aufnahme der Kurbelwelle
- 16
- Druckkraft
- 20
- Werkzeug
- 21
- Werkzeug-Rotationsachse
- 22
- Schneide
- 30
- Anstellwinkel
- 31
- Schnittpunkt
- 40
- z-Achse
- 50
- x-Achse
- 60
- Spannwerkzeug