DE10211344C2

DE10211344C2 - Drehmeißel und Drehverfahren für einen Kolbenmantel

Info

Publication number: DE10211344C2
Application number: DE10211344A
Authority: DE
Inventors: Kenneth E Schroeder
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: DE10211344A1; US20020134206A1; US6666118B2

Description

Die Erfindung betrifft Drehmeißel und Drehverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Bereich der mechanischen Bearbeitung von Kolbenmänteln sind ver schiedene Möglichkeiten zum Ausbilden ausgemeißelter Lagerflächen bekannt. Eine von ihnen ist das Abschleifen der Mantelfläche mittels eines abgerichteten Schleifrades, das so geformt ist, dass man die gewünschte Oberflächenstruktur erhält. Eine übliche Struktur erscheint im Quer schnitt als Sinuswelle und kann mit einem Abstand zwischen den Erhe bungen von ungefähr 0,50 bis 1,50 mm und einer Tiefe von 0,005 bis 0,05 mm gebildet sein. Ein anderes Verfahren besteht im Drehen des Kolben mantels mittels eines Einpunktdrehmeißels, um ein spiralförmiges Muster von flachen Vertiefungen und Erhebungen zu erhalten. Ein derzeit ver wendeter Meißel weist einen Kopfradius von ungefähr 0,76 mm auf und dreht den Mantel mit einer Spiralsteigung von ungefähr 0,29 mm, um flache bogenförmige Täler zu bilden, die ungefähr 0,014 mm tief und zwischen scharfkantigen Erhebungen beabstandet sind. Bei dieser Struk tur bieten die Erhebungen eine minimale Lagerfläche, und es hat sich herausgestellt, dass sie sich während der Verwendung des Kolbens in einem Motor abnutzen, um zwischen den Tälern Lagerflächenplateaus zu bilden. Die Plateaus bilden Lagerflächen, die mit einem umgebenden Zylinder in Eingriff stehen und die durch keilförmige Ölfilme geschmiert werden, die in den angrenzenden Tälern der Mantelflächenstruktur vorlie gen. Die Abnutzung kann jedoch das diametrale Spiel zwischen Kolben und Bohrung so weit erhöhen, dass sie sich negativ auf eine Sekundärbe wegung des Kolbens und Geräuschentwicklung auswirkt.

In der DE 44 34 297 A1 ist ein rhombischer, dreieckiger oder trigonförmi ger Schneideinsatz zur spanenden Bearbeitung mit einer spitzen Schneidecke offenbart. Der spitze Schneideinsatz weist am schneidecken abgewandten Ende eine Schneidenausstülpung und eine Schneidenein senkung auf.

In der nachveröffentlichten DE 100 18 452 A1 ist ein Schneideinsatz für Zerspanungsarbeiten mit einer gekrümmten Schneidecke beschrieben, wobei die Schneidecke mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Krüm mungsradien aufweist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen Drehmeißel und ein Drehverfahren bereitzustellen, damit ein Kolbenmantelprofil mit gut geschmierten Lagerflächen geschaffen wird, das in der Lage ist, ohne übermäßigen Bruch bei Abnutzung Achsschübe auf den Kolben auszuhal ten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Die Erfindung sieht einen Drehmeißel vorzugsweise einen Einpunktdrehmeißel mit einem Kopf vor, der eine Schneidkante mit einem Kopfradius aufweist, der dem derzeit verwendeten Meißel gleich oder ähnlich ist. Auf einer Seite und etwas hinter der Spitze des Kopfradius ist jedoch ein flacher oder gerader Abschnitt angefügt, um eine Schneidkante mit einem geraden Abschnitt und einem hervorstehenden Abschnitt zu bilden. Der hervorstehende Abschnitt besteht aus dem Abschnitt des Kopfradius, der sich über die Ebene des geraden Abschnitts hinaus erstreckt, der wiederum sich senk recht zu einer Längsachse erstreckt, auf welche der Mittelpunkte des Kopfradius gelegen ist. In einem weiteren Zusammenhang könnte der hervorstehende Abschnitt andere als bogenförmige Krümmungen aufwei sen und/oder er könnte im Rahmen der Erfindung mit nicht gekrümmten Kanten ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die Schneidkante auch Zu führradien oder gekrümmte Oberflächen auf, die den hervorstehenden Abschnitt auf der einen Seite und den geraden Abschnitt auf der anderen Seite mit abgewinkelten Seiten des Kopfes verbinden.

Während der Herstellung eines Kolbens wird der Drehmeißel verwendet, um die äußere Oberfläche des Kolbenmantels zuzurichten. Der Meißel wird vorzugsweise derart positioniert, dass der gerade Abschnitt mit der Querschnittsrichtung oder -ebene der zugerichteten äußeren Oberfläche fluchtet. Der Kolben wird gedreht, während der Meißel einen spiralförmi gen Weg oder eine spiralförmige Windung um die Mantelfläche herum schneidet, indem der Meißel bei jeder Umdrehung um eine gewünschte Abmessung oder Steigung weiter bewegt wird, die größer ist als die Breite des hervorstehenden Abschnitts aber nicht größer als die zusammen genommenen Breiten des geraden und des hervorstehenden Abschnitts ist. Der Meißel wird vorzugsweise durch eine CNC-Maschine gesteuert, die dem Mantelprofil jegliche gewünschte Gestalt anzunehmen erlaubt, wie beispielsweise eine zylindrische, konische oder tonnenförmige mit einem runden, ovalen oder abgewandelten transversalen Querschnitt. Der Drehmeißel kann in beide Richtungen entlang des Kolbenmantels vorge rückt werden. Wenn der Kolben gedreht wird, schneidet der hervorstehen de Abschnitt ein Tal gleicher Breite in die Oberfläche und der gerade Abschnitt schneidet ein angrenzendes Plateau auf dem verbleibenden Teil einer jeden Windung.

Die resultierende Mantelfläche ist eine Reihe von aufeinanderfolgend angrenzenden Windungen, von denen jede eine Breite aufweist, die gleich der Steigung des spiralförmigen Schnitts ist. Die Oberfläche einer jeden Windung weist ein flaches Tal auf, das vorzugsweise leicht geneigte Seiten und eine Breite aufweist, die gleich der Breite des hervorstehenden Ab schnitts des Meißels ist. Jede Windung weist außerdem einen angrenzen den flachen oder geraden Abschnitt auf (im Längsquerschnitt gesehen), der eine Breite aufweist, die gleich der Differenz zwischen der Steigung der Spirale und der Breite des angrenzenden Tals ist.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist jedes Plateau eine Breite von etwa 34% der Gesamtbreite der Windung (oder der Steigung des Schnitts auf). Somit bildet die Breite eines jeden Plateaus eine Lagerfläche, die ungefähr die Hälfte der Breite der angrenzenden Täler ausmacht. Die Täler sind flache Bögen mit leicht geneigten Seiten, die bei Betrieb des Kolbens keilförmige Ölfilme bilden, die den Lagerflächen in beiden Bewe gungsrichtungen des Kolbens zugeführt werden. Durch die Verwendung des neuen Drehmeißels in Kombination mit dem Verfahren seiner Anwen dung wird somit ein Mantelprofil mit gut geschmierten Lagerflächen ge schaffen, das in der Lage ist, ohne übermäßigen Bruch bei Abnutzung Achsschübe auf den Kolben auszuhalten.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung bestimmter spezieller Ausführungsformen der Erfindung unter Hinzunahme der beigefügten Zeichnungen besser zu verstehen sein.

In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Kolbens mit einem Mantel, der mittels eines erfindungsgemäßen Drehmeißels gedreht wird;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kopf des Drehmeißels in Fig. 1;

Fig. 3 eine stark vergrößerte Ansicht der Schneidkante des Dreh meißels; und

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht der resultierenden Kolbenmantel oberfläche, welche die Täler und die gerade Lagerfläche zeigt, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Meißels und Ver fahrens auf dem Mantel ausgebildet wurden.

Zunächst detailliert auf Fig. 1 bezugnehmend, bezeichnet Bezugsnummer 10 ganz allgemein eine Anordnung zur mechanischen Bearbeitung mit einem umgedreht dargestellten Motorkolben 12, wie er beispielsweise zum Drehen in einer nicht gezeigten CNC-Maschine eingespannt sein könnte. Der Kolben 12 weist eine Krone 14 mit einem Ringgürtel 16 und einen angrenzenden Mantel 18 auf, der eine äußere Oberfläche 20 beliebiger, im Wesentlichen zylindrischer (einschließlich konischer oder tonnenförmiger) Gestalt aufweist. Gezeigt ist ein Einpunktdrehmeißel 24, der einen Kopf 26 mit einer Schneidkante 28 aufweist, die während des Drehens der Oberfläche 20 mit dem Mantel 18 in Eingriff steht. Vorzugsweise wird der Mantel mit einem spiralförmigen Schnitt gedreht, während der Meißel 24 auf einem spiralförmigen Weg entlang der Oberfläche 20 wandert, wobei eine Steigung derart gewählt wird, dass die Oberfläche in einem einzigen Durchgang zugerichtet wird. Alternativ könnte der Mantel durch aufein anderfolgendes Tiefschneiden mit dem Meißel zugerichtet werden, um mehrere ringförmige Windungen oder Ringe auf der Oberfläche zu bilden, aber dies ist kein bevorzugtes Verfahren.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Kopf 26 des Meißels 24 ein schließlich der abgewinkelten Seiten 30 zeigt, die zu der Schneidkante 28 führen. Die Schneidkante weist einen vom Mittelpunkt entfernten Endab schnitt 32 auf, der durch einen ersten und einen zweiten Zuführradius 34, 36 mit den Seiten 30 verbunden ist. Der erste Radius 34 wird um einen ersten Mittelpunkt 37 gezogen, der sich auf einer Längsachse 38 des Drehmeißels 24 befindet, und der zweite Radius 36 wird um einen zweiten Mittelpunkt 40 gezogen, der seitlich zur Achse 38 beabstandet ist.

Fig. 3 zeigt den Endabschnitt 32 der Schneidkante 28 stark vergrößert, um die Details der Schneidkantengestalt zu zeigen. Der Endabschnitt 32 weist den ersten Radius 34 auf, der sich als Radius eines hervorstehenden Abschnitts 42 fortsetzt, der als Bogen des gleichen Radius ausgebildet ist, der sich bogenförmig auf einen vorwärts gelegenen Punkt 44 auf der Achse 38, auf welcher der Radius 34 und der Bogen 42 ihren Mittelpunkt haben, zu und über diesen hinaus erstreckt. Der hervorstehende Abschnitt oder Bogen 42 erstreckt sich über die Achse hinaus zu einem zweiten Punkt 46, der seitlich zum vorwärts gelegenen Punkt 44 beabstandet und etwas hinter diesem gelegen ist. Von dem zweiten Punkt 46 erstreckt sich ein im Wesentlichen linearer oder gerader Abschnitt 48 der Schneidkante in einer zur Achse 38 normalen Richtung lateral nach außen über eine Strecke, die dem Abstand des zweiten Mittelpunkts 40 von der Achse 38 gleich ist. Die Schneidkante 28 endet dann in dem zweiten Radius 36, der den gera den Abschnitt mit einer der abgewinkelten Seiten 30 des Kopfes 26 ver bindet. Der hervorstehende Abschnitt 42 der Schneidkante 28 ist hier als der Abschnitt der Schneidkante definiert, der sich über die Ebene oder die Linie des geraden Abschnitts 48 der Schneidkante 28 hinaus erstreckt.

Bei der gezeigten Ausführungsform des Drehmeißels weisen die dargestell ten Abmessungen des Kopfes eine Seite auf, die um ungefähr 45° bezüg lich der Achse abgewinkelt ist und mit dem ersten Zuführradius 34 von ungefähr 0,76 mm verbunden ist, der ein zuvor verwendeter Radius für Manteldrehmeißelköpfe ist. Der hervorstehende Abschnitt 42 setzt sich vom Bogen 34 mit demselben Radius von ungefähr 0,76 mm durch den vorwärts gelegenen Punkt 44 zum zweiten Punkt 46 fort, wobei er sich über eine Gesamtbreite des hervorstehenden Abschnitts von 0,19 mm gleichmäßig auf beiden Seiten der Achse 38 erstreckt. Der gerade Abschnitt 48 erstreckt sich über eine beliebige gewünschte Entfernung lateral vom Punkt 46 aus, in diesem Fall über etwa 0,20 mm, bis zum Anfang des zweiten Zuführradius 36, der eine Radiuslänge von ungefähr 0,40 mm aufweist. Für eine Gesamtbreite des geraden und des hervorste henden Abschnitts von ungefähr 0,39 mm ist der gerade Abschnitt 48 in diesem Beispiel nahezu gleich der Breite des hervorstehenden Abschnitts 42. Die Höhe, oder der Vorsprung, des hervorstehenden Abschnitts 42 über den linearen Abschnitt 48 hinaus ist sehr klein und liegt im Bereich von 0,006 mm.

Im Betrieb wird der Drehmeißel 24 vorzugsweise so positioniert, dass der gerade Abschnitt 48 mit der Querschnittsrichtung oder -ebene der zuge richteten äußeren Oberfläche 20 des Kolbenmantels fluchtet. Der Kolben 12 wird rotiert, während der Meißel einen spiralförmigen Weg oder eine Windung um die Mantelfläche 20 herum schneidet, indem der Meißel 24 bei jeder Umdrehung um eine gewünschte Strecke oder Steigung vorge rückt wird, die größer als die Breite (0,19 mm) des hervorstehenden Ab schnitts aber nicht größer als die zusammengenommenen Breiten (0,39 mm) des geraden und des hervorstehenden Abschnitts ist. In diesem Beispiel beträgt die Steigungsabmessung ungefähr 0,29 mm oder die Hälfte zwischen den zur Verfügung stehenden Extrema für diesen Meißel 24. Der Meißel wird vorzugsweise durch eine CNC-Maschine gesteuert, die es dem Mantelprofil erlaubt, jegliche gewünschte Form anzunehmen, beispielsweise eine zylindrische, konische oder tonnenförmige mit einem runden, ovalen oder modifizierten transversalen Querschnitt. Der Dreh meißel 24 kann während des Drehens in beide Richtungen entlang des Kolbenmantels vorgerückt werden. Während der Kolben gedreht wird, schneidet der hervorstehende Abschnitt 42 ein flaches Tal 50 gleicher Breite (0,19 mm) in die Manteloberfläche 20 und der gerade Abschnitt 48 schneidet ein angrenzendes Plateau 52 auf den verbleibenden Teil (0,10 mm) einer jeden Windung 54.

Wie in Fig. 4 zu sehen ist, ist die resultierende Mantelfläche eine Reihe von aufeinander folgend angrenzenden Windungen 54, von denen jede eine Breite (0,29 mm) aufweist, die der Steigung des spiralförmigen Schnitts gleich ist. Die Oberfläche jeder Windung 54 weist ein flaches Tal 50 auf, das vorzugsweise leicht geneigte Seiten 56 und eine Breite (0,19 mm) aufweist, die gleich der Breite des hervorstehenden Abschnitts 42 des Meißels ist. Die Tiefe der Täler beträgt lediglich ungefähr 0,006 mm. Jede Windung weist außerdem ein angrenzendes flaches oder gerades Plateau 52 auf (im Querschnitt gesehen), das eine Breite aufweist (0,10 mm), die gleich der Differenz zwischen der Steigung der Spirale (oder der Breite der Windung 54) und der Breite des angrenzenden Tals 50 ist.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist jedes Plateau 52 eine Breite von ungefähr 34% der Gesamtbreite der Windung 54 (oder der Steigung des Schnitts) auf. Somit bildet die Breite eines jeden Plateaus eine Lagerfläche, die ungefähr die Hälfte der Breite der angrenzenden Täler beträgt. Die Täler sind flache Bögen, die leicht geneigte Seiten 56 aufweisen, welche bei Betrieb des Kolbens keilförmige Ölfilme bilden, die den Lagerflächen 52 in beiden Bewegungsrichtungen des Kolbens 12 zugeführt werden. Durch die Verwendung des neuen Drehmeißels 24 in Verbindung mit dem Verfahren seiner Anwendung wird somit ein Mantel profil mit gut geschmierten Lagerflächen geschaffen, die in der Lage sind, ohne übermäßigen Bruch bei Abnutzung auf den Kolben wirkenden Achs schüben Stand zu halten.

Die für die exemplarisch gezeigte Ausführungsform angegebenen ungefäh ren Abmessungen, Winkel und Verhältnisse können wie gewünscht ver ändert werden, um sich für unterschiedlich große Motoren, Kolbenanwen dungen und Arbeitsbedingungen des Motors und des Kolbens zu eignen, ohne den beabsichtigten Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Obwohl die Erfindung anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsfor men beschrieben wurde, sollte einzusehen sein, dass eine Vielzahl von Veränderungen im Geiste und im Rahmen der beschriebenen erfindungs gemäßen Konzepte durchgeführt werden können. Entsprechend ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungs formen beschränkt ist, sondern dass sie den vollen Rahmen aufweist, der durch die folgenden Ansprüche erlaubt wird.

Zusammengefasst betrifft die Erfindung einen Einpunktdrehmeißel mit einem Kopf, der eine Schneidkante mit einem Kopfradius und einem geraden Abschnitt aufweist, der seitlich und etwas hinter der Spitze gele gen ist, um eine Schneidkante mit einem geraden Abschnitt und einem hervorstehenden Abschnitt zu bilden. Der hervorstehende Abschnitt er streckt sich über die Ebene des linearen Abschnitts hinaus, die sich ihrer seits senkrecht zu einer Längsachse erstreckt, auf welcher der Mittelpunkt des Kopfradius gelegen ist. Während der Herstellung eines Kolbens wird der Drehmeißel so positioniert, dass der gerade Abschnitt mit der Ebene der zugerichteten äußeren Oberfläche fluchtet. Der Kolben wird gedreht, während der Meißel einen spiralförmigen Weg oder eine spiralförmige Windung um die Mantelfläche herum schneidet, indem der Meißel bei jeder Umdrehung um eine gewünschte Abmessung oder Steigung vorgerückt wird, die größer als die Breite des hervorstehenden Abschnitts aber nicht größer als die zusammen genommenen Breiten des geraden und des hervorstehenden Abschnitts ist. Die resultierende Mantelfläche ist eine Reihe von aufeinander folgend angrenzenden Windungen, von denen jede ein flaches Tal aufweist, vorzugsweise mit leicht geneigten Seiten, und jede Windung weist eine Breite, die gleich der Breite des hervorstehenden Abschnitts des Meißels ist, und einen angrenzenden flachen oder geraden Abschnitt mit einer Breite auf, die gleich der Differenz zwischen der Stei gung der Spirale und der Breite des angrenzenden Tales ist.

Claims

1. Drehmeißel für die mechanische Bearbeitung von Kolbenmänteln, der einen Kopf (26) mit einer Schneidkante (28) aufweist, die mit ei nem Kolbenmantel (18) in Eingriff bringbar ist, um während des Drehens des Mantels Material zu schneiden, um eine ausgemeißelte Lagerfläche zu schaffen, wobei die Schneidkante (28) aufweist:
einen hervorstehenden Abschnitt (42) mit einer leichten Krümmung, die sich von einem vorwärts gelegenen Punkt (44) aus gehend lateral in entgegen gesetzte Richtungen und nach hinten er streckt, wobei der hervorstehende Abschnitt (42) ein Bogen ist, des sen Mittelpunkt auf einer Längsachse (38) liegt, die sich durch den vorwärts gelegenen Punkt (44) erstreckt, und
einen im Wesentlichen geraden Abschnitt (48), der sich von einem zweiten Punkt (46) des hervorstehenden Abschnitts lateral nach außen erstreckt, wobei der zweite Punkt (46) seitlich vom vor wärts gelegenen Punkt (44) beabstandet und etwas hinter diesem gelegen ist, und wobei der zweite Punkt (46) seitlich neben der Ach se (38) auf dem Bogen liegt,
wobei der Drehmeißel (24) gekrümmte Abschnitte (34, 36) aufweist, die den Bogen und den geraden Abschnitt (48) mit abge winkelten Seiten (30) des Kopfes (26) verbinden, und
wobei der Meißel (24) ausgelegt ist, um eine gedrehte Oberflä che zu bilden,
dadurch gekennzeichnet,
dass der gerade Abschnitt (48) senkrecht auf der Achse (38) steht, auf der der Mittelpunkt des Bogens des hervorstehende Ab schnitt (42) liegt, und die sich durch den vorwärts gelegenen Punkt (44) erstreckt,
so dass der Meißel (24) eine gedrehte Oberfläche bildet, die im Querschnitt eine Reihe von Lagerplateaus (52) aufweist, die durch flache Täler (50) voneinander getrennt sind, welche flache keilartige Oberflächen aufweisen, die an die Plateaus (52) angrenzen.

2. Drehmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der hervorstehende Abschnitt (42) über eine Strecke, die nicht größer als 0,01 mm ist, über den geraden Abschnitt (48) hin aus erstreckt.

3. Verfahren zur Verwendung eines Drehmeißels nach Anspruch 1, um eine ausgemeißelte Lagerfläche auf einem Mantel (18) eines Kolbens zu bilden, wobei das Verfahren umfasst:
das Drehen der Oberfläche des Kolbenmantels (18), wobei der gerade Abschnitt (48) des Drehmeißels im Wesentlichen mit der ge drehten Mantelfläche (20) fluchtet, wobei der Meißel (24) bei jedem Längsquerschnitt des Mantels eine Reihe von aufeinander folgend aneinandergrenzenden Windungen (54) schneidet, die jeweils eine Breite aufweisen, die zwischen der Gesamtbreite des geraden und des hervorstehenden Abschnitts zusammen und der Breite des her vorstehenden Abschnitts (42) allein liegt, so dass die Differenz zwi schen der Breite einer jeden Windung (54) und der Breite des hervorstehenden Abschnitts (42) die Breite des dazugehörigen Lagerpla teaus (52) bildet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehen der Oberfläche mittels eines Einpunktmeißels durchgeführt wird, der eine Spirale mit einer Steigung schneidet, die gleich der Breite einer jeden Windung (54) ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite eines jeden Lagerplateaus (52) zwischen 20 und 50 Prozent der Breite einer jeden Windung (54) beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite eines jeden Lagerplateaus (52) ungefähr ein Drittel der Breite einer jeden Windung (54) beträgt.