DE2255322C3 - Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken im Längs- und im Querschnitt voneinander unabhängig veränderlichen Profils, insbesondere für Kolben von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit im Längs- und im Querschnitt voneinander unabhängig veränderlichen Profilen insbesondere für Kolben von Verbrennungsmotoren, bei der die Werkzeugsteuereinrichtung für die Erzeugung des Quersschnittprofiles auseiner auf der Drehachse des Werkstücks sitzenden und mit ihm synchron angetriebenen unrunden Schablone mit einem darauf anliegenden, von einem Schwinghebel getragenen Tastorgan besteht, wobei mit dem Schwinghebel ein Übertragungselement verbunden ist, gegen das ein schwenkbar gelagerter Drehstahlhalter unter Federwirkung anliegt, während noch eine zweite Werkzeugsteuereinrichtung für die Erzielung des Längsschnittprofils vorgesehen ist, die dem Drehstahlhalter eine der vorgenannten Werkzeugsteuereinrichtung überlagerte Bewegung erteilen kann.

Bekannterweise erfordern die im Betrieb auftretenden z. B. Wärmewirkungen und -beanspruchungen bei zahlreichen Maschinenteilen, daß die Herstellung, d. h. Bearbeitung dieser Teile als fertige Werkstücke mit einer im Einbauzustand gemäß bestimmten, berechneten oder empirisch ermittelten Gesetzmäßigkeiten ausgebildeten Gestaltung der Längsschnitt- und/oder Querschnittprofile derselben auf maschinellem Wege mit hoher Genauigkeit und Produktivität durchgeführt werden kann. Ein Beispiel hierfür stellt die Bearbeitung der Kolben von Verbrennungsmotoren darTda diese bekannterweise bestimmte Abweichungen von der regelmäßigen symmetrischen Zylindergestalt aufweisen. Der Grund hierfür liegt darin, daß unter Berücksichtigung und Kompensierung der durch zahlreiche Versuche bestimmten Gesetzmäßigkeiten der infolge der im Kolbenkörper während des Betriebes entstehenden Temperaturverteilung hervorgerufenen temperaturabhängigen Verformung an der gesamten Mantelfläche gleichmäßig aufliegende Kolben hergestellt und erhalten werden können. Zur Kompensierung der temperaturabhängigen Verformung sind zahlreiche konstruktive Lösungen (so elastische, aufgeschlitzte, mit Durchbrüchen oder mit Stahleinlagen versehene Kolben) bekanntgeworden, welche jedoch stets auch mit bestimmten Nachteilen behaftet sind. Im Zuge der oben angedeuteten Tendenz stellen den derzeit modernsten Entwicklungsstand insbesondere im Fahrzeug- und Motorbau die sogenannten Zweifach-Ovalkolben dar, welche auch die im gegenüber dem Benzinbetrieb eine erhöhte Belastung darstellenden Dieselbetrieb auftretenden Beanspruchungen gut vertragen, ein optimales Tragbild aufweisen und somit die Anforderungen auf einem derzeit bekannten höchsten Niveau ei füllen. Das Wesen der .vZweifach-Ovalität« geht aus den beiliegenden F i g. 1 und 2 eindeutig hervor, wobei die Abbildungsmaßstäbe, d. h. die Proportionen, stark vergrößert bzw. verzerrt sind. Die Mantelfläche der gegenständlichen Kolben ist aus vier voneinander gut sichtbar getrennten und unterschiedlichen Flächenbereichen zusammengesetzt, von denen die einander gegenüberliegenden jeweils einander zugeordnet, d. h. entsprechend sind und Flächenteile desselben balligen Ovalkegels bilden. Die beiden Ovalitäten können von einander unterschiedlicher Größe und auch veränderlich sein.

Die Forderung nach einer Abweichung von der regelmäßigen Zylinderform gilt naturgemäß nicht nur für das Querschnittsprofil der Kolben, sondern auch das Längsprofil des Kolbens soll eine vom regelmäßigen Rechteck abweichende, durch eine entlang der Längsachse nach einer vorbestimmten Gesetzmäßigkeit kontinuierlich bzw. stetig verlaufende, allgemein als ballig genannte Kurve als Erzeugende begrenzte Fläche darstellen.

Die vor dem Einbau vorliegenden (sogenannten kalten) Abmessungen der Kolben werden allgemein durch spanabhebende Bearbeitung, insbesondere durch Drehen, erzeugt. Hierbei kommt dem Drehen eine besondere Bedeutung zu, da die entsprechende Formgestaltung nach obigen Gesichtspunkten und gemäß vorbestimmter Profilausbildung dem Kolben im Laufe dieser technologischen Operation verliehen wird.

Eine bekannte Technik zur Erzeugung eines Ovalquerschnitts verwendet ein um eine mit der der Drehachse des Werkstücks einen bestimmten Winkel einschließende Achse rotierendes Werkzeug. Derartige Lösungen sind in den US-PS 27 20 806 und 29 24 135 beschrieben. Diese Lösungen ergeben jedoch schwer einstellbare, spezielle Einzweckmaschinen. Durch die Fliehkraft wird hierbei die erzielbare Drehzahl nach oben begrenzt, was vom technologischen Gesichtspunkt zwangläufig einen bedeutenden Nachteil darstellt.

Bei einer weiteren bekannten Lösung wird die erforderliche Ovalität durch gegenüber ihrer geometrischen Achse geneigte Anordnung von zylinderförmigen Körpern erzielt (DT-PS 10 98 324). Dies wird unter der Verwendung eines Additionsgetriebes mit zusätzlichen

Schablonen und Steuerhebeln bewerkstelligt. Die Einrichtung ist demnach kompliziert, schwer einstellbar, und sie enthält zahlreiche Störungsquellen.

Es ist ferner eine Lösung bekannt, welche scheinbar sowohl die Bedürfnisse der Kleinserien- als auch diejenigen der Massenfertigung hinsichtlich der Erzeugung der Ovalität befriedigt (DT-PS 12 19 769). Sie weist jedoch den Nachteil auf, daß die erzielbart Längsprofilgestalt durch die zur Erzeugung derselben verwendete Exzenterscheibe eingeschränkt ist und ferner eine an einer mit der Hauptwelle synchron angetriebenen Welle sitzende Ovalscheibe verwendet wird, was eine kostspielige konstruktive Lösung darstellt. Eine weitere bekannte Lösung ist in derDT-PS 9 69 840 beschrieben, welche jedoch eine hohe Anzahl von bewegten, schwingenden Elementen enthält und die Herstellung der verwendeten konkaven und konvexen Steuerscheiben schwierig und aufwendig ist. Die bewegten Massen beschränken hierbei ebenfalls die erzielbare Drehzahl nach oben hin.

Dem Gegenstand der Erfindung am nächsten liegende bekannte Lösung ist in der DT-OS 14 77 722 beschrieben. Hier wird jedoch ein Steuerelement von doppelter Aufgabe verwendet, dessen Anfertigung und Pflege Werkzeugmacher von hoher Qualifikation erfordert. Die Umstellzeit von einem Kolbentyp auf einen anderen bedingt hohe Stillstandzeiten zwischen den einzelnen Fertigungsserien, wodurch die Fertigung bei kleineren Losgrößen vom Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit nachteilig beeinflußt wird. Der bedeutendste Nachteil der letztgenannten Lösung liegt jedoch darin, daß das bereits erwähnte Steuerelement über die Steuerung der sich stets ändernden Ovalität des Querschnitts hinaus auch die Steuerung der balligen Mantelerzeugenden, d. h. diejenige der Gestalt des Längsschniitprofils mit bewirkt, und zwar derart, daß der Abbildungsmaßstab der letzteren in der Nähe von 1 :1 liegt. Es ist leicht einzusehen, daß die Verwirklichung einer für den Mantel des Kolbens vorgeschriebenen Toleranz von z. B. 0,01 mm für die Bearbeitung des Steuerelements eine der letztgenannten höhere Genauigkeit erfordert, wodurch dieselbe äußerst kostspielig und schwer durchführbar wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung der Mängel der oben aufgezählten bekannten Lösungen und die Schaffung einer Vorrichtung, durch welche Werkstücke im Längs und im Querschnitt voneinander unabhängig veränderlichen Profils, insbesondere mit balliger Mantelerzeugenden ausgebildete Zweifach-O«'alkolben von Verbrennungsmotoren in einem einzigen Arbeitszyklus bearbeitet werden können.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das obige Ziel erreicht werden kann, falls die Werkzeugsteuereinrichtung /ur Ausbildung des Längsschniltpro-FiIs unter Beibehaltung einer Werkzeugsteuereinrichtung für das Querschnittprofil gemäß der DT-OS 14 77 722 erfindungsgemäß von der letzteren unabhängig ausgebildet wird, wobei für die Herstellung der balligen Mantelcrzeugcnden des Längsprofils eine einfach herstellbare Kopierschablone von hohem Überset- &o zungsverhältnis verwendet wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die eingangs bezeichnete Vorrichtung dadurch gelöst, daß zur Steuerung des Längsschniitprofils der Drehstahlhalter auf einem Querschlitten gelagert ist, der auf einem Längsschlitten mittels einer Gewindespindel verschiebbar ist, die über einen an ihr angeordneten, mit einem Tastcrende an einer ortsfesten, sich in Maschinenlängsrich-

tung erstreckenden Steuerkurve anliegenden Hebelarm steuerbar ist.

Vorteilhafterweise ist die Gewindespindel im Quersrhlitten axial unverschiebbar gelagert und mit ihrem Gewindeteil in einer im Längsschlitten axial verstellbaren Mutter drehbar. Diese Mutter kann wiederum mittels eines Keilgetriebes verstellbar sein.

Die neue Vorrichtung ermöglicht die Bearbeitung von sämtlichen, in der Praxis vorkommenden, vom Kreisquerschnitt abweichenden Querschnittprofilen. So ist sie zur Herstellung von sich verjüngenden, vergrößernden, mit Stufen versehenen oder konstant bleibenden Ovalitäten. ja sogar zur gleichzeitigen Bearbeitung von Zweifach-Ovalitäten geeignet. Zugleich kann mit ihrer Hilfe von der Ovalität, d. h. vom Querschnittprofil völlig unabhängig ein beliebiges, d. h. beliebig balliges Längsschnittprofil ausgebildet werden, wobei eine erhöhte Maßgenauigkeit, eine erforderliche Oberflächenbeschaffenheit sowie eine höhere Produktivität ohne übermäßige Anforderungen gegenüber den verwendeten Schablonen mit erzielt werden können.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Aus^rührungsbeispiel an Hand der beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. Die Zeichnungen sind

F i g. 1 und 2 schematische Darstellungen eines Zweifach-Ovalkolbens,

F i g. 3 eine schematische Seitenansicht der Werkzeugsteuereinrichtung zur Ausbildung des Querschnittprofils einer beispielsweisen erfindungsgemäßen Vorrichtung, teilweise im Schnitt, und

Fig.4 die perspektivische Darstellung der Werkzeugsteuereinrichtung einer beispielsweisen erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausbildung des Längsschnittprofils.

Gegen eine mit einem auf die Hauptspindel aufgespannten Werkstück 1 synchron rotierende Drehschablone 2 liegt ein Tastorgan 4 eines Schwinghebels 3 auf, wobei für den ständigen Kontakt von einer Feder 5 Sorge getragen wird. Die Drehschablone 2 trägt eine mit der am Werkstück 1 auszubildenden Ovalität proportionale Gesetzmäßigkeit. An einer abgeflachten Fläche des Schwinghebels 3 ist ein zylindrisches Übertragungselement 6 befestigt, welches hierbei lediglich für die Übertragung der Bewegung dient und gegen welches unter Wirkung einer Feder 9 eine Abtastleiste 8 eines schwenkbar belagerten Drehstahlhalters 7 ständig aufliegt. Durch Verschieben der Befestigungsstelle des Übertragungselements 6 in etwa radialer Richtung kann der jeweils erforderliche Abbildungsmaßstab der durch die Drehschablone 2 getragenen Gesetzmäßigkeit eingestellt werden. Zur gleichzeitig erfolgenden Bearbeitung bzw. Herstellung einer Zweifach-Ovalität sind um den Umfang des Werkstücks 1 zwei mit der oben beschriebenen Einrichtung im wesentlichen analog ausgebildete Werkzeugsteuereinrichtungen zur Ausbildung des Quersehnittprofils (F i g. 3) beliebig, zweckmäßig jedoch gegeneinander um 180° phasenverschoben angeordnet. Durch diese um 180" phasenverschobene Anordnung der Einrichtungen wird eine Symmetrie der Ovalitäten zueinander gesichert, falls auch die Schneidkanten der Drehstählc 10 ebenso angeordnet sind. Zur besseren Unterscheidung der hierdurch mehrfach vorkommenden Teile werden in F i g. 3 die in der linken Maschinenseite vorkommenden Teile mit einem zusätzlichen »3« und die entsprechenden Teile mit einem »fx< versehen.

Die Änderung des Nenndurchmesseis entlang und in Richtung der Längsachse, d. h. die ballige Mantelerzeu-

gende und somit das Profil des Längsschnitts werden durch Anwendung der erfindungsgemäßen Werkzeugsteuercinrichtung zur Ausbildung des Längsschnittprofils erzeugt, welche im folgenden an Hand der F i g. 4 beschrieben wird:

Der Drehstahlhalter 7 ist in Lagerstcllen 12 an einem Werkzeugquerschlitten 11 schwingend gelagert, wobei der Querschlitten 11 auf einem Längsschlitten 13 in spielfreien Rollenführungen 14 geführt ist und somit seine in bezug auf den Längsschlitten 13 in Querrichtung erfolgende Bewegung ermöglicht ist. Diese Querbewegung wird durch eine in ihrem mittleren Bereich mit dem Querschlitten 11 durch eine spielfreie Lagerung 16 verbundene, in ihrem Endbereich mit Gewinde versehene Verstcllspindel 15 bewirkt, welche in diesem Endbereich mit einer Milnehmermutter 17 in Eingriff steht, während an ihrem anderen Ende ein Steuerhebel 18 befestigt ist. Die Mitnehmermutter 17 ist gegen Vorspannfeder 23 abgestützt durch einen Nennmaß-Einstellkeil 22 bezüglich ihrer Lage verstellbar, nach erfolgter Einstellung jedoeh ortsfest im Längsschlitten 13 angeordnet. Durch eine Drehung der Verstellspindel 15 wird somit eine Bewegung des Querschlittens 11 senkrecht zur Drehachse des Werkstücks 1 bewirkt, wobei diese Bewegung als Funktion der Steigung des Gewindes sowie des jeweiligen Drehwinkels der Verstellspindel 15 entsteht. Der Drehwinkel der Verstellspindcl 15 wird durch eine durch die in Richtung der Drehachse des Werkstücks 1 erfolgende Längsbewegung des Schlittens 13 zwangsgesteuerte Bewegung einer als Endstück des Steuerhebels 18 ausgebildeten, sich gegen eine Steuerkurve 20 unter Wirkung einer Feder 21 abstützenden und dieser Steuerkurve 20 entlangbewegenden Tastspitze 19 bewirkt. Dieser Drehwinkel und somit die durch die Steuerkurve 20 bestimmte Gesetzmäßigkeit werden auf die beschriebene Weise in eine in Querrichtung erfolgende Drehstahlbcwegung überführt, wobei durch die neue Werkzeugsteuereinrichtung die Übertragung der auf der Steuerkurve 20 vorhandenen Gesetzmäßigkeit auf das Längsprofil des Werkstücks 1 bei einem Verkleinerungsmaßstab von z. B. I : 150 möglch ist. Infolgedessen werden auch die

ίο Herstellungsungenauigkeiten der Steuerkurve 20 auf die Mantclerzeugende des Werkstücks 1 mit einer Verkleinerung von 1 :150 übertragen, wodurch die Anfertigung der Steuerkurve 20 gegenüber denjenigen der bislang bekannten Lösungen billig und einfach durchführbar wird und die Vorrichtung selbst einfach bedienbar und übersichtlich bleibt.

Über die Ermöglichung der Ausbildung des Längsschnittprofils mit einer bislang nicht erreichbaren Genauigkeit und Einfachheit hinaus gewährleistet die erfindungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit der gleichzeitig erfolgenden Ausbildung von zwei voneinander unabhängigen und sich unabhängig ändernden Ovalitäten mittels zweier unabhängig gesteuerter Werkzeuge, und zwar unter Sicherung der idelaen Durchdringung dieser Ovalitäten ohne, zusätzliche Übergangsradien od. dgl.

Die neue Vorrichtung kann zugleich auch für die Herstellung von Einfach-Ovalkolben vorteilhaft verwendet werden, wobei eine gegenüber der der bekannten Vorrichtungen wesentlich höhere Produktivität dadurch erzielt werden kann, daß der eine Drehstahl z. B. für eine Grobbearbeitung stets vor dem feinbearbeitenden zweiten Drehstahl arbeitend eingesezt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. «Μ*

   Patentansprüche:

   !.Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit im Längs- und im Querschnitt voneinander unabhängig veränderlichen Profilen insbesondere für Kolben von Verbrennungsmotoren, bei der die Werkzeugsteuereinrichtung für die Erzeugung des Querschnittprofils aus einer auf der Drehachse des Werkstücks sitzenden und mit ihm synchron angetriebenen unrunden Schablone mit einem darauf anliegenden, von einem Schwinghebel getragenen Tastorgan besteht, wobei mit dem Schwinghebel ein Übertragungselement verbunden ist, gegen das ein schwenkbar gelagerter Drehsiahlhalter unter Federwirkung anliegt, während noch eine zweite Werkzeugsteuereinrichtung für die Erzielung des Längsschnittprofils vorgesehen ist, die dem Drehstahlhalter eine der vorgenannten Werkzeugsteuereinrichtung überlagerte Bewegung erteilen kann, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Längsschnittprofils der Drehstahlhalter (7) auf einem Querschlitten (11) gelagert ist, der auf einem Längsschlitten (13) mittels einer Gewindespindel (15) verschiebbar ist, die über einen an ihr angeordneten, mit einem Tasterende (19) an einer ortsfesten, sich in Maschinenlängsrichtung erstrekkenden Steuerkurve (20) anliegenden Hebelarm (18) steuerbar ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindespindel (15) im Querschlitten (11) axial unverschiebbar gelagert und mit ihrem Gewindeteil in einer im Längsschlitten (13) axial verstellbaren Mutter (17) drehbar ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (17) mittels eines Keilgetriebes (22, 23) verstellbar ist.