DE19620813C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Unrundschleifen von Nockenformen mit konkaven Flanken - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Unrundschleifen von Nockenformen mit konkaven FlankenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1
angegebenen Merkmalen und eine Vorrichtung mit den im Oberbegriff des
Anspruchs 2 angegebenen Merkmalen.
Nockenformen mit konkaven Flanken im An- und Ablaufbereich des Nockens
werden zum Beispiel von Automobilherstellern zunehmend gewünscht, weil damit
eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs und ein Einsatz der Rollenhebel-
Ventiltriebtechnik erreichbar sind.
Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der als bekannt vorausgesetzten Art sind in der
DE 44 26 452 C1 beschrieben. Dabei ist die Schleifspindelachse parallel zur
Werkstückdrehachse angeordnet. Auf Grund der Platzverhältnisse und des kleinen
Schleifscheibendurchmessers führt dies dazu, daß sehr schlanke, lange
Schleifspindeln eingesetzt werden müssen, und zwar insbesondere bei einem
Direktantrieb mit Hochfrequenzmotor, wobei die Schleifspindel länger ausgeführt
sein muß als die Nockenwelle. Hier gibt es dann bei Nockenwellenlängen von
beispielsweise mehr als 500 mm Probleme in bezug auf die Steifigkeit und die
Eigenschwingfrequenzen der Schleifspindel.
Ähnliches gilt bezüglich der DE 41 37 924 C1, bei deren Gegenstand ebenfalls mit
einer Schleifspindel zum Fertigschleifen des Nockens gearbeitet wird, deren Achse
parallel zur Werkstückdrehachse verläuft.
Gemäß der DE-PS 67 89 81 wird, wie in den Abb. 3 bis 6 gezeigt, mit einer
senkrecht zur Nockenwellenachse ausgerichteten Schleifspindel gearbeitet. Hier
wird der konkave Teilbereich des Nockens mit einer separaten Schleifscheibe
ausgeschliffen. Daraus ergibt sich dann, weil die Nockenform nicht mit einer
Schleifscheibe über ihren gesamten Umfang fertiggeschliffen wird, ein Formfehler
im Übergangsbereich zum konkaven Nockenabschnitt. Der Durchmesser der
Schleifscheibe wird dadurch begrenzt, daß der jeweilige in Richtung der
Nockenwellenlängsachse neben dem zu schleifenden Nocken angeordnete Nocken
den maximalen Schleifscheibendurchmesser durch seinen maximalen
Umlaufdurchmesser vorgibt. Außerdem muß, um eine ebene Nockenform zu
erhalten, mit einem Verfahren oder Oszillieren der Schleifscheibe in Richtung der
Nockenwellenlängsachse gearbeitet werden, was zeitaufwendig und unwirtschaftlich
ist.
Bekannt ist ferner, daß Nocken mit einem Bandschleifverfahren geschliffen werden.
Bei einem derartigen System ist nachteilig, daß die Schleifbänder oft ausgetauscht
werden müssen, und die Nockenlauffläche nur eben geschliffen werden kann. Der
Umstand des häufigen Schleifbandwechsels führt dazu, daß dieses System
gegenüber dem Schleifen mit keramisch gebundenem CBN unwirtschaftlich ist.
Außerdem muß zum Schleifen von schrägen Nocken die gesamte Schleifeinheit
geschwenkt werden. In Bezug auf die Geradheit der Nockenmantelfläche in
Richtung der Nockenwellenlängsachse können die Genauigkeitswerte wie beim
Schleifen nicht erreicht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der
als bekannt vorausgesetzten Art so weiterzubilden, daß die vorstehend
beschriebenen Nachteile vermieden werden und daß insbesondere bei hoher
Genauigkeit der fertig bearbeiteten Nockenwelle mit einer sehr kurzen und
dementsprechend steifen Schleifspindelausführung gearbeitet werden kann.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen, vorrichtungsmäßig mit den im Anspruch 2 angegebenen Merkmalen
gelöst.
Erfindungsgemäß wird durch die Schrägstellung der Schleifspindel erreicht, daß mit
einem kleinen Schleifscheibendurchmesser und dennoch sehr kurzer und steifer
Schleifspindel gearbeitet werden kann. Die Genauigkeit der fertig bearbeiteten
Nockenwelle ergibt sich aus der Koordination der Bewegungen der Schleifspindel in
bezug auf drei verschiedene CNC-Achsen. Durch die Schrägstellung der
Schleifspindel vereinfacht sich die Situation in der Maschine auf Grund der
Störkanten sehr stark. Dadurch ist es z. B. möglich, auch konkave Nockenformen mit
kleinem Konkavradius an langen Nockenwellen zu schleifen. Das System ist
außerdem wesentlich flexibler, als dies bei einer parallel zur Nockenwel
lenmittelachse angeordneten Schleifspindel für die kleine Schleifscheibe der Fall
wäre.
Wie beim Bandschleifverfahren ergeben sich die Vorteile, daß sehr kleine
Konkavradien realisiert werden können und daß durch entsprechendes Abrichten der
Schleifscheibe auch ballige und schräge Nockenlaufbahnen mit oder ohne Abfasung
hergestellt werden können.
Bei einem Schleifaufmaß von beispielsweise einigen Zehntel Millimetern kann die
Nockenkontur mit einer einzigen Schleifscheibe fertiggeschliffen werden.
Vorteilhafte weitere Ausführungsformen der Vorrichtung nach Anspruch 2 sind
Gegenstand der Ansprüche 3 bis 9.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 die Draufsicht auf eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung;
Fig. 1A einen Teilausschnitt aus der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;
Fig. 2 einen Schnitt durch Nockenwelle und Schleifscheibe entsprechend der
Schnittlinie S-S in Fig. 1;
Fig. 3 die Vorderansicht der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung in Richtung des
Pfeils V;
Fig. 4 die Draufsicht auf eine abgeänderte Vorrichtung, bei der mit einer eigenen
Vorschleifscheibe gearbeitet wird.
In Fig. 1 ist dargestellt, daß die Schleifspindel 1 der Schleifscheibe 3 zum Schleifen
von Nocken 15 mit einer in zur Werkstückdrehachse C parallelen
Nockenmantelfläche 17 unter einem Winkel α zur Werkstückdrehachse C
angeordnet ist. Die Mantelfläche der Schleifscheibe 3 ist unter dem gleichen Winkel
konisch abgerichtet, so daß die Schleifzone 4 der Schleifscheibe 3 wieder parallel
zur Werkstückdrehachse C angeordnet ist. Durch die schräge Anordnung der
Schleifspindel 1 wird erreicht, daß diese wesentlich kürzer und steifer ausgeführt
werden kann, als wenn sie parallel zur Werkstückdrehachse C angeordnet wäre.
Der Winkel α ist frei wählbar und hat vorzugsweise einen Wert zwischen 10° und
30°, wobei die Winkelgröße von der Nockenwellengeometrie abhängig ist.
Die Nockenwelle 13 wird zwischen einem Werkstückspindelstock 9, auf dem ein
Spannfutter 10 montiert ist, das um seine Längsachse in Verlängerung der
Werkstückdrehachse C drehbar gelagert ist, und einem Reitstock 11 aufgenommen.
Der Werkstückspindelstock 9 und der Reitstock 11 sind auf dem Schleiftisch 12 fest
montiert. Zur Abstützung der Nockenwelle 13 während der Schleifbearbeitung sind
auf dem Schleiftisch 12 Lünetten 5 und 7 montiert, die ein Durchbiegen der
Nockenwelle 13 während des Schleifvorgangs verhindern. Die Lünetten 5 und 7
stützen die Nockenwelle 13 an deren Lagerstellen 6 bzw. 8 in exakter Flucht
zwischen der Längsachse des Werkstückspindelstocks 9 und des Reitstocks 11 ab.
Je nach Geometrie der Nockenwelle 13 und der geforderten Genauigkeiten und
Bearbeitungszeiten variiert die Anzahl der Lünetten. In Fig. 1 sind beispielsweise
zwei Lünetten 5 und 7 dargestellt, die auf dem Schleiftisch montiert sind.
Der Schleifspindelantrieb für die Schleifspindel 1 mit der kleinen Schleifscheibe 3
kann mit Riemenantrieb oder als Hochfrequenz-Schleifspindeleinheit ausgeführt
sein.
In Fig. 1 sind die Zustellachse X und die Längspositionierachse Z dargestellt.
Senkrecht zur Zeichenebene hat man sich die vertikale Vorschubachse Y zu denken.
Das Werkstück rotiert um die Werkstückdrehachse C.
Bei geringem Schleifaufmaß kann die Nockenkontur nur mit der Schleifscheibe 3
hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, daß zum Vorschleifen eine eigene
Schleifscheibe größeren Durchmessers verwendet wird.
In Fig. 1A ist ein Teilausschnitt aus der Fig. 1 dargestellt. Zum Schleifen von
konischen Nocken, die einen Schrägungswinkel β an der Nockenmantelfläche 17 in
Richtung der Werkstückdrehachse C aufweisen, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Bei einem Schrägungswinkel β der Nockenmantelfläche 17 kann die Schleifscheibe
3 auf einen Winkel α1 abgerichtet werden, so daß (es gilt α1 + β = α) der
Schrägungswinkel β auf der Schleifscheibe abgerichtet ist und der Schwenkwinkel
α der Schleifspindel 1 unverändert bleibt.
Eine andere Variante ist, daß die Schleifscheibe 3 auf den Winkel α abgerichtet
bleibt und die Schleifspindel 1 um den Winkel β horizontal verschwenkt wird (es
gilt α ± β = α2).
Gemäß Fig. 2 wandert beim Nockenformschleifen die Schleifzone 4 auf Grund der
Unrundkontur des Nockens 15 über bzw. unter die theoretische Werkstückdrehachse
C, so daß während eines Nockenumlaufes die Schleifzone an der Schleifscheibe
zwischen den Punkten 4A und 4B wandert. Bei schräg angestellter Schleifscheibe
würde dies normalerweise zu einer Verzerrung der Nockenmantelfläche 17 führen.
Bei dem Wandern der Schleifzone zwischen Punkt 4A und Punkt 4B kommt es
dazu, daß die Nockenmantelfläche 17, die bei ebenen Nocken in Richtung der
Werkstückdrehachse C parallel zu dieser sein soll, in dem Bereich, in dem das
Schleifen nicht in der Schleifzone 4 erfolgt, schräg wird. Um dies zu verhindern,
wird erfindungsgemäß die Schleifscheibe 3 mit der gesamten Schleifspindel 1 längs
der vertikalen Vorschubachse Y derart nachgeführt, daß das Schleifen immer exakt
in der in Fig. 2 dargestellten Schleifzone 4 erfolgt.
Um beim Fertigschleifen eine optimale Nockengeometrie zu erhalten, ist es
notwendig, daß die Schleifzone 4 immer exakt auf der gleichen Position am Umfang
der Schleifscheibe 3 verbleibt.
Die Schleifzone 4 muß am Schleifscheibenumfang auf der Schleifscheibe 3 auf der
Mittellinie 20 liegen, die wiederum parallel zur X-Achse angeordnet ist.
Diese Nachführung der Schleifscheibe 3 während des Nockenformschleifens ist in
Fig. 2 durch die beiden Maße A und B aufgezeigt.
In Fig. 3 sind die vertikale Vorschubachse Y und die Längspositionierachse Z
dargestellt. Außerdem ist auch hier die Werkstückdrehachse C gezeigt. Die
Zustellachse X hat man sich senkrecht zur Zeichenebene verlaufend vorzustellen.
Alle Achsen sind als CNC-Achsen ausgeführt. Die Vorschubachse Y dient dazu, daß
die Schleifzone 4 auf der Schleifscheibe 3 immer auf der gleichen Position gehalten
wird. Die Zustellachse X und die Werkstückdrehachse C dienen zur Erzeugung der
Nockenform und müssen deshalb in koordiniertem Betrieb arbeiten. Um die
Schleifzone 4 immer auf der gleichen Position an der Schleifscheibe 3 zu halten,
muß die vertikale Vorschubachse Y in Abhängigkeit von der Stellung der
Zustellachse X und der Werkstückdrehachse C nachgeführt werden. Es ist
ersichtlich, daß die drei Achsen X, Y und C in direktem Abhängigkeitsverhältnis
zueinander arbeiten müssen und deshalb koordiniert betrieben werden.
Bei Nockenwellen, die ein größeres Schleifaufmaß aufweisen, kann beispielsweise
die Ausführung gemäß Fig. 4 zum Einsatz kommen. Diese zeigt eine Ausführung
einer Schleifmaschine mit zwei Schleifspindeln, wobei die erste Schleifspindel 1a
zum Vorschleifen einer Zwischenkontur an der Nockenform mit einer ersten großen
Schleifscheibe 3a ausgestattet ist, die beispielsweise einen Durchmesser von 400
mm hat. Die erste Schleifspindel 1a braucht in Richtung der Y-Achse nicht
verfahrbar angeordnet zu sein.
Generell kommt es bei dem Verfahren darauf an, daß beim Fertigschleifen mit der
Schleifscheibe 3 eine interpolierende Bewegung der Achsen X, Y und C während
des Schleifens stattfindet. Es wäre auch möglich, anstatt die Schleifscheibe 3 mit der
Schleifspindel 1 vertikal zu verfahren, diese in Richtung der Y-Achse ortsfest zu
montieren und dafür den Werkstückspindelstock 9 mit dem Spannfutter 10, die
Lünetten 5 und 7 und den Reitstock 11, also die kompletten Schleiftischaufbauten
auf dem Schleiftisch 12, vertikal im interpolierenden Betrieb zu den Achsen X und
C zu betreiben. Dadurch würde der gleiche Effekt mit einem geänderten
Vorrichtungsaufbau erzielt werden.
Die zweite einschwenkbare Schleifspindel 1, die zum Fertigschleifen der
Nockenkontur dient und mindestens eine Schleifscheibe 3 aufnimmt, hat den in den
Fig. 1 bis 3 gezeigten Aufbau.
Claims (9)
1. Verfahren zum Schleifen von konkave Flanken aufweisenden Nocken (15)
einer Nockenwelle (13) unter Verwendung einer Schleifspindel (1) mit Schleif
scheibe (3) mit an der Mantelfläche angeordneter Schleifzone (4) sowie mit
einer horizontalen Zustellachse (X) und einer Werkstückdrehachse (C) zum
Fertigschleifen des Nockens (15),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Achse der Schleifscheibe (3) unter einem Winkel (α) von etwa 10° bis
30° zur Werkstückdrehachse (C) ausgerichtet ist, und daß die gesamte
Schleifspindel (1) mit der unter dem gleichen Winkel (α) abgerichteten
Mantelfläche der Schleifscheibe (3) in Richtung einer senkrecht zur
Zustellachse (X) verlaufenden vertikalen Vorschubachse (Y) derart nachgeführt
wird, daß die Schleifzone (4) der Schleifscheibe (3) immer auf der gleichen
Position auf der Mantellinie der Schleifscheibe (3) gehalten wird.
2. Vorrichtung zum Schleifen von konkave Flanken aufweisenden Nocken (15)
einer Nockenwelle (13) unter Verwendung einer Schleifspindel (1) mit
Schleifscheibe mit an der Mantelfläche angeordneter Schleifzone (4) sowie mit
einer horizontalen Zustellachse (X) und einer Werkstückdrehachse (C) zum
Fertigschleifen des Nockens (15), zum Durchführen des Verfahrens nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifspindel (1) für die zum
Fertigschleifen eines Nockens (15) bestimmte Schleifscheibe (3) unter einem
Winkel (α) von etwa 10° bis 30° zur Werkstückdrehachse (C) angeordnet ist,
daß die Schleifscheibe (3) unter dem gleichen Winkel (α) konisch abgerichtet
ist und daß Mittel für die koordinierte Bewegung der Schleifscheibe (3) längs
der Zustellachse (X) und der senkrecht dazu verlaufenden Vorschubachse (Y)
in bezug auf die Werkstückdrehachse (C) vorgesehen sind, wobei die
Schleifscheibe (3) derart nachgeführt wird, daß die Schleifzone (4) der
Schleifscheibe (3) immer auf der gleichen Position auf der Mantellinie der
Schleifscheibe (3) gehalten wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werk
stückdrehachse (C), die Zustellachse (X) und die Vorschubachse (Y) als CNC-
Achsen ausgeführt sind und die Vorschubachse (Y) in Abhängigkeit von der
Stellung der Werkstückdrehachse (C) und der Zustellachse (X) nachgeführt
wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zustellachse (X) unabhängig vom Winkel (α) unter 90° zur
Werkstückdrehachse (C) verläuft.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Herstellen von Nocken (15) mit schräger Lauffläche der Winkel (∝)
unverändert bleibt und die Schleifscheibe (3) um den Neigungswinkel (β)
schräg abgerichtet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Herstellen von Nocken (15) mit schräger Lauffläche der Winkel (α) in der
einen oder anderen Richtung abänderbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß,
um die Schleifzone (4) immer auf der gleichen Position auf der Mantellinie der
Schleifscheibe (3) zu halten, die Nockenwelle (13) vertikal verfahrbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Vorschleifen eine Schleifspindel (1a) mit einer großen Schleifscheibe (3a)
zum Einsatz kommt und die Nockenform (17) einschließlich der konkaven
Flanken mit der kleinen Schleifscheibe (3) fertiggeschliffen wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spindelstock
(18), auf dem beide Schleifspindeln (1, 1a) gelagert sind, um eine quer zur
Nockenwelle (13) verlaufende Achse (19) schwenkbar ist und daß durch das
Verschwenken die große Schleifscheibe (3a) oder die kleinere Schleifscheibe
(3) in die Arbeitsposition gelangt.
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