-
Spanabhebende Bearbeitungseinrichtung für die Herstellung trochoidenförmiger
Zylinderflächen an Werkstücken Die Erfindung betrifft eine spanabhebende Bearbeitungseinrichtung
zum Führen wenigstens eines Werkzeuges entlang der Bahnkurve einer Trochoide, mit
einem mindestens ein Werkzeug tragenden Werkzeugträger, der um eine Lagerachse drehbar
und mit dieser mittels einer Antriebsvorrichtung auf einer zu einer im Mittelpunkt
der Trochoide liegenden Systemachse konzentrischen Kreisbahn bewegbar ist, und der
ein kreiszylindrisches
und zu seiner Achse koaxiales Wälzteil aufweist,
das zum Zwecke des Rotationsantriebes des Werkzeugträgers an einer zylindrischen
Umfangsfläche eines koaxial zur Systemachse angeordneten, feststehenden Abwälzkörpers
gleitfrei abwälzbar ist.
-
Seit der Entwicklung des nach der Bauart von NSU/Wankel konzipierten
Kreiskolbenmotors ist im Maschinenbau die Herstellung trochoidenförmiger Kolbenräume
in Motorgehäusen aktuell geworden. Aus diesem Grunde wurden bereits#Werkzeugmaschinen
entwickelt, die eine Serienfertigung solcher Motorgehäuse ermöglichen.
-
So ist bereits bekannt, die Mantellauffläche von Wankelmotorgehäusen
zu fräsen, wobei das Fräswerkzeug durch eine Kopierschablone gesteuert wird.
-
Des weiteren ist es bekannt! die Mantellaufflä,che zu schleifen, wobei
die Führung der Schieifscheibe ebenfalls durch Kopieren oder aber über aufwendige
Kurven- und Ilebelgetriebe bewerkstelligt wird ( System Gleason ), Schliesslich
ist es bereits Stand der Technik, die Trochoidenform der Gehäuseausnehmung durch
Ausdrehen zu erzeugen, indem ein am Umfange drei, im Winkelabstand voneinander angeordnete
Drehmeissel aufweisender Werkzeugträger einer Bearbeitungseinrichtung um eine Lagerachse
antreibbar und mit derselben mittels einer Antriebsvorrichtung auf einer Kreisbahn
bewegbar ist, die konzentrisch zu einer im Mittelpunkt der #erzustellenden Trochoide
liegenden Systemachse verläuft.
-
Bei diesem Bearbeitungsverfahren ist der Werkzeugträger in Art eines
Drehkolbens ausgebildet, wobei die Drehmeissel an den Spitzen des Werkzeugträgers
fest eingespannt sind. Aus der starren Halterung der Drehmeissel im Werkzeugträger
resultieren beim Einsatz einer solchen Bearbeitungseinrichtung erhebliche Bearbeitungsfehler,
da sich an der Werkzeugschneide, bedingt durch den ungleichmässigen Kurvenverlauf,
die Span- und Frei winkel der Werkzeugschneiden in bezug auf die Kurven-Normale
zur Trochoide ständig ändern.
-
llier setzt nun die Erfindung ein.
-
Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Bearbeitungseinrichtung der
gattungsgemässen Art zu schaffen, mit deren Hilfe sich trochoidenförmige Ausnehmungen
mit optimaler Genauigkeit durch Ausdrehen erzeugen lassen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Antriebsvorrichtung
zum Antrieb des Werkzeugträgers auf der zur Systemachse konzentrischen Kreisbahn
einen um die Systemachse drehbaren Steuerkörper aufweist, der in Achsrichtung einen
ersten Exzenter aufweist, dass das Werkzeug in einem Werkzeughalter sitzt, der im
Werkzeugträger um eine zur Systemachse parallele Achse frei drehbar angeordnet ist
und dass ein starres Verbindungsglied vorgesehen ist, das einerseits auf dem ersten
Exzenter drehbar gelagert und andererseits in einer Führung des Werkzeughalters
und gegebenenfalls des Werkzeugträgers in Achsrichtung beweglich gehalten ist.
-
Diese Konstruktion gewährleistet, dass in jeder Arbeitsstellung des
Werkzeugträgers die Werkzeugschneide die gleiche relative Lage zur Bahnkurve der
herzustellenden Trochoide beibehält, indem sich das Verbindungsglied senkrecht zur
Systemachse und in der Ebene einer den Wälzpunkt und den die Bahnkurve erzeugen
den, auf der Achse des Werkzeughalters liegenden Punkt miteinander verbindenden
Strecke befindet. Diese konstruktive Besonderheit stellt sicher, dass der Mittelpunkt
des Werkzeughalters während der Arbeitsbewegung seiner Schneide stets auf der Normalen
zur Bahnkurve liegt. Dies bedeutet, dass der Span- und der Freiwinkel der Werkzeugschneide,
aufgrund der während der Arbeitsbewegung des Werkzeugträgers durch das Verbindunglied
fortwährend veranlassten Ausgleichbewegung des Werkzeughalter in bezug auf die Kurven-Normale
der herzustellenden Trochoide, ständig konstant bleibt, so dass Fehler in der Form
der Trochoide vermieden und günstige Schnittbedingungen bzw. lange Standzeiten der
Werkzeugschneide gewährleistet sind.
-
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sich mit ihrer
Hilfe trochoi-denförmige Bahnkurven mit beliebiger Kurvenform durch Ausdrehen herstellen
lassen und ihre Anwendung nicht nur auf ein bestimmtes Prinzip der bekannten Möglichkeiten
zur Herstellung von Trochoiden beschränkt ist; vielmehr kann sie bei allen Erzeugungsarten
gleich vorteilhaft angewendet werden.
-
Die durch die Form der herzustellenden Trochoide bedingte, notwendige
Kreisbewegung des um seine Lagerachse rotierenden
Werkzeugträgers
kann mittels der Antriebsvorrichtung auf verschiedene Weise durchgeführt werden.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bildet hierbei die Systemachse
die Achse einer stillstehenden Welle, der Werkzeugträger ist zum Zwecke seines Rotationsantriebes
an der zylindrischen Umfangsfläche des am freien Ende der stillstehenden Welle drehfest
angeordneten Abwälzkörpers unmittelbar abwälzbar vorgesehen und die Achse des das
Verbindungsglied tragenden, ersten Exzenters fluchtet mit dem zwischen Abwälzkörper
und Wälzteil vorhandenen Wälzpunkt.
-
Vorteilhaft bildet hierbei der Steuerkörper der Antriebsvorrichtung
einen zweiten, auf der stillstehenden Welle drehbar gelagerten Exzenter, an dessen
Umfange der Werkzeugträger frei drehbar gelagert ist'und dessen Exzenterachse liegt
in einer durch die Systemachse und den Wälzpunkt hindurchgehenden Ebene.
-
Damit ist mit Hilfe eines gemeinsamen Bauteils auf besonders einfache
Weise die Steuerung des Verbindungsgliedes und die eine der beiden einander zu überlagernden
Bewegungen des Werkzeugträgers bewerkstelligt.
-
Je nachdem, ob die anzufertigende Trochoide von einem Punkt beschrieben
werden soll, der ausserhalb oder innerhalb eines Kreises liegt, welcher auf der
Aussen- oder Innenseite eines anderen Kreises abrollt (Hypo- bzw. Peri- oder Epi-Trochoide
), kann sich die Systemachse zwischen den beiden Exzenterachsen des Steuerkörpers
und der Abwälzkörper innerhalb des Wälzteils
oder die Achse des
ersten Exzenters bzw. der Wälzpunkt zwischen der Achse des zweiten Exzenters und
der Systemachse befinden.
-
In weiterer günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist die Schneide
des Werkzeuges für eine erforderlich werdende Schneidenzustellung im Werkzeughalter
parallel zur Achse des starren Verbindungsgliedes verstellbar und feststellbar vorgesehen.
-
Ausserdem lässt sich das gleitfreie Zusammenwirken von-Abwälzkörper
und Wälzteil zuverlässig dadurch bewerkstelligen, dass diese Teile an ihren miteinander
zusammenwirkenden Umfangsflächen verzahnt sind.
-
Eine weitere in technischer Hinsicht besonders günstige Konstruktionsvariante
ergibt sich, wenn die Systemachse die Achse einer drehantreibbaren Welle bildet,
wenn ausserdem der Steuerkörper auf der Welle drehfest angeordnet und der als Abwälzkörper
dienende Zahnkranz am Umfange eines die Welle lagernden Lagergehäuses angeordnet
ist, zu dem sich der das Wälzteil bildende Zahnkranz des Werkzeugträgers im Achsabst#and
befindet und wenn schliesslich mit beiden Zahnkränzen jeweils ein Ritzel kämmt,
die auf einer gemeinsamen, am Umfang des Steuerkörpers zu diesem achsparallel gelagerten
Welle drehfest angeordnet sind.
-
Einen zusätzlichen wesentlichen Vorteil bietet die Erfindung schliesslich
noch insofern, als sie es gestattet, den Werkzeugträger mit zwei oder mehr Werkzeugen
zu bestücken und diese jeweils für sich im Sinne der Erfindung derart zu steuern,
dass
die Winkelgrössen der Schneiden zur Normalen zur Bahnkurve stets gleich bleiben.
Eine derartige Werkzeugeinstellung lässt sich bei einem eine Vielzahl von Werkzeugen
tragenden Werkzeugträger gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung dadurch erreichen,
dass die den einzelnen, die Werkzeuge aufnehmenden Werkzeughaltern zugeordneten
Verbindungsglieder hintereinander und voneinander unabhängig auf dem ersten Exzenter
des Steuerkörpers frei drehbar angeordnet sind.
-
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen: Fig.1 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispieles einer Bearbeitungseinrichtung
zur Herstellung einer Trochoide unter Verwendung eines einzigen Drehmeissels, Fig.2
eine einen Längsschnitt darstellende Prinzipskizze der Einrichtung gemäss Fig.l,
Fig.3 eine mögliche konstruktive Lösung einer nach dem Prinzip gemäss Fig.l und
2 aufgebauten Bearbeitungseinrichtung, Fig.4 einen Querschnitt durch die Einrichtung
gemass Fig.3 entlang der Linie 4-4 der Fig.3, Fig.5 eine Prinzipskizze eines zweiten
Ausführungsbeispieles einer Bearbeitungseinrichtung, die mit insgesamt drei Drehmeisseln
bestückt ist,
Fig,6 und 7 eine Darstellung ähnlich Fig5 zur Veranschaulichung
verschiedener Arbeitsstellungen des Werkzeugträgers der Bearbeitungseinrichtung,
Fig.8 ein drittes mögliches, im Prinzip dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig.9 ein viertes Konstruktionsprinzip mit nur zwei Drehmeisseln, Fig.lo ein fünftes
Konstruktionsprinzip mit insgesamt sechs Drehmeisseln, Fig.ll eine einen Längsschnitt
darstellende Prinzipskizze eines sechsten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemässen
Bearbeitungseinrichtung.
-
Mit Hilfe der in den Fig.l und 2 schematisch dargestellten Bearbeitungseinrichtung
soll eine strichpunktiert angedeutete, trochoidenförmige Bahnkurve 12 in das Gehäuse
eines Kreiskolbenmotors durch Ausdrehen mittels eines einzigen Drehmeissels 13 eingearbeitet
werden.
-
Zu diesem Zweck weist die Bearbeitungseinrichtung einen einen Werkzeughalter
14 tragenden Werkzeugträger 16 auf, der seinerseits um eine Mittelachse 18 eines
als Ganzes mit 20 bezeichneten Steuerkörpers einer Antriebsvorrichtung drehbar gelagert
ist.
Der Steuerkörper selbst ist auf einer im Mittelpunkt der herzustellenden Trochoide
liegenden, stillstehenden Welle 22 exzentrisch gelagert, deren Achse die Systemachse
definiert.
-
Der Steuerkörper ist beispielsweise mittels einer in Fig.2 gezeigten
Riemenscheibe 24 antreibbar. Während der Rotation des Steuerkörpers 20 bewegt sich
demgemäss dessen Mittelachse 18 des Werkzeugträgers entlang einer zur Systemachse
konzentrischen Kreisbahn 26, wobei der Werkzeugträger in der Zeichenebene eine erste
zur stillstehenden Welle 22 exzentrische Bewegung ausführt.
-
Dieser ersten Bewegung des Werkzeugträgers 16 wird eine zweite Bewegung,
und zwar eine Drehbewegung desselben um seine Mittelachse 18 überlagert, wodurch
der Werkzeughalter 14 bzw. der Drehmeissel 13 die Bahnkurve 12 der Trochoide beschreibt.
-
Zu diesem Zweck ist der Werkzeugträger 16 mit einem zu seiner Mittelachse
18 koaxial angeordneten Wälzteil 28 ausgestattet, der eine Innenverzahnung 30 aufweist.
Diese Innenverzahnung kämmt mit der Aussenverzahnung eines am Vorderende der stillstehenden
Welle 22 starr befestigten Abwälzkörpers 32. Damit umschliesst der Wälzteil 28 den
feststehenden Abwälzkörper 32, wobei das erforderliche Durchmesserverhältnis dieser
beiden Teile zur Erzeugung der gewünschten Trochoide zwei/drei gewählt ist.
-
Wie bereits oben erwähnt, beschreibt der Werkzeughalter 14 bzw. der
Drehmeissel 13 die Bahnkurve 12. Würde nun der den Drehmeissel haltende Werkzeughalter
im Werkzeugträger fest eingespannt sein,
so würden sich Spanwinkel
und Freiwinkel der Schneide in bezug auf die Normale zur Bahnkurve während der-Arbeitsbewegung
des Werkzeuges ständig ändern. Das heisst, es ergäben sich einerseits schlechte
Schnittbedingungen und andererseits Formfehler, ganz abgesehen von den aus der ständigen.
Grössenänderung der erwähnten Winkel resultierenden schlechten Schnittbedingungen
und der sich daran;3 ergebenden geringen Standzeit der Werkzeugschneide. Die Konstruktion
der erfindungsgemässen Bearbeitungseinrichtung ist nun so getroffen, dass in jeder
Bewegungsphase, während der das Werkzeug die Bahnkurve beschreibt, dessen Schneide
eine vorbestimmte Lage relativ zur Tangente der Bahnkurve beibehält. Zu diesem Zweck
ist der Werkzeughalter 14 im Werkzeugträger 16 um eine parallel zu den Achsen 18
und 22 angeordnete Achse drehbar gelagert., und ausserdem ist dieser von einem senkrecht
zu dessen-Drehachse liegenden Führungskanal 34 durchdrungen. Ferner ist der Steuerkörper
20 mit einem ersten Exzenter 36 ausgestattet, dessen Exzenterachse 37 mit dem zwischen
Abwälzkörper 32 und Wälzteil 28 vorhandenen Wälzpunkt fluchtet. Schliesslich ist
eine in sich starre Verbindungsstange 38 vorgesehen, die mit ihrem einen Ende aufldem
ersten Exzenter 36 drehbar gelagert und andererseits im Führungskanal 34 des Werkzeughalters
14 axial beweglich angeordnet ist.
-
Diese Konstruktion gewährleistet, dass die Winkelgrössen der Schneide
des Drehmeissels 13, während diese die Bahnkurve beschreibt, zur Normalen zur Bahnkurve
stets gleich bleiben, d.h.
-
während der Arbeitsbewegung des Drehmeissels wird durch die Verbindungsstange
38 fortwährend eine solche Ausgleichsbewegung des Werkzeughalters um seine Achse
veranlasst, dass der Span-und
Freiwinkel der Werkzeugschneide
in bezug auf die Normale zur herzustellenden Bahnkurye ständig konstant bleibt.
Der beschriebene Mechanismus bietet damit optimale Voraussetzungen, um Trochoiden
mit einem Höchstmass an Genauigkeit durch Ausdrehen herstellen zu können.
-
In den Fig.3 und 4 ist eine mögliche technische Lösung des in den
Fig.l und 2 dargestellten Konstruktionsprinzips gezeigt.
-
In diesen Figuren sind die Teile, die den in den Fig.l und2 erwähnten
Einzelheiten entsprechen, mit den gleichen Bezugszahlen wie in Fig.l und 2 bezeichnet.
-
Mit Bezugnahme auf die Fig.l und 2 ist mit 22 eine stillstehende Welle
bzw. eine feststehende Lagerachse bezeichnet, auf deren Endstück der als Ganzes
mit 20 bezeichnete Steuerkörper frei drehbar gelagert ist. Der Steuerkörper weist
einen ersten Exzenter 36 auf und bildet selbst einen zweiten Exzenter, der um die
Systemachse 22 drehbar ist. Beide Exzenter liegen im Achsabstand hintereinander.
Auf dem als zweiten Exzenter dienenden Steuerkörper 2o ist mittels Kugellagern 19
der als Ganzes mit 16 bezeichnete Werkzeugträger frei drehbar gelagert. Derselbe
bildet an seinem gemäss Fig.3 rechten Ende den Wälzteil 28, der an seinem,Innenumfang
die Verzahnung 3o aufweist. Mit dieser Verzahnung kämmt der Wälzteil 28 mit dem
durch ein Ritzel gebildeten und am freien Ende der feststehenden Lagerachse 22 angeformten
Abwälzkörper 32. Der Steuerkörper ist mittels der nur in Fig.2 angedeuteten Riemenscheibe
24 antreibbar, wodurch sich der Werkzeugträger 16 aufgrund seiner exzentrischen
Anordnung
auf der Lagerachse 22 entlang der zur Lagerachse konzentrischen
Kreisbahn 26 bewegt und zum anderen wir ihm aufgrund des formschlüssigen Eingriffs
der Verzahnungen des Ritzels 32 mit der Innenverzahnung 30 des Wälzteils 28 eine
Drehbewegung aufgezwungen. Im Werkzeugträger ist der Werkzeughalter 14 um eine Achse
frei drehbar gelagert, die in Parallellage zur Lagerachse 22 ist. Mit 15 ist die
Schneide des in den Werkzeughalter eingespannten Drehmeissels bezeichnet. Auf dem
ersten Exzenter 36 ist mit einem Lagerkörper 37 die Verbindungsstange 38 mittels
eines Rollenlagers 39 frei drehbar gelagert, die in den Führungskanal 34 des Werkzeughalters
14 axial beweglich eingreift. An den Führungskanal schliesst sich im Werkzeugträger
eine sich gemäss Fig.4 nach aussen verbreiternde Ausnehmung 35 an, in welche die
Verbindungsstange 38 eintauchen kann.
-
Nachdem die Funktionsweise des Konstruktionsprinzips gemäss den Fig.l
und 2 ausführlich beschrieben worden ist, wird auf die Darstellung der Wirkungsweise
für den Gegenstand der Fig. 3 und 4 verzichtet.
-
Das in Fig.5 bis 7 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel eines ausführbaren
Konstruktionsprinzips unterscheidet sich von demjenigen der Fig.l insofern, als
der in diesem Falle ähnlich dem Drehkolben eines Wankel-Motors ausgebildete Werkzeugträger
40 insgesamt drei, mit jeweils einem Drehmeissel bestückte Werkzeughalter 42,44
und 46 trägt, die jeweils an den Spitzen des Werkzeugträgers vorgesehen sind. Jedem
Werkzeughalter ist, analog zur Konstruktion gemäss den Fig.l bis 4, eine Verbindungsstange
48
zugeordnet, die in axialem Abstand hintereinander auf der mit dem zwischen dem mit
So bezeichneten Abwälzkörper und dem mit 52 bezeichneten Wälzteil vorhandenen Wälzpunkt
fluchtenden Exzenterachse 54 drehbar gelagert sind.
-
Die Fig.6 und 7 veranschaulichen die Stellung der Verbindungsstangen
im Verlaufe einzelner Bewegungsphasen des Werkzeugträgers.
-
Fig.8 veranschaulicht ein Konstruktionsprinzip, bei dem sich der mit
60 bezeichnete Wälzteil mit einer Aussenverzahnung an der Aussenverzahnung des feststehenden
und mit 62 bezeichneten Abwälzkörpers abwälzt. Demgemäss befindet sich die Achse
des ersten Exzenters 63 zwischen der Achse des zweiten Exzenters 65 und der stillstehenden
Lagerachse 67.
-
Zu Fig.9 sei lediglich bemerkt, dass in diesem Falle der den Werkzeugträger
tragende Wälzteil 64 im Gegensatz zum Konstruktionsprinzip gemäss Fig.1 bis 4 an
einer Innenverzahnung eines entsprechenden Abwälzkörpers 66 abrollt.
-
Aus Fig.lo ist ein Konstruktionsprinzip ersichtlich, bei dem insgesamt
sechs Werkzeughalter 68 vorhanden und jeweils über eine Verbindungsstange 69 durch
einen gemeinsamen Steuerexzenter 70 des Steuerkörpers 72 steuerbar sind.
-
Die Fig.ll zeigt schliesslich eine Konstruktionsvariante, die in wesentlichen
Einzelheiten dem Ausführungsbeispiel der Fig.2
entspricht, weshalb
gleiche Teile beider Konstruktionen auch mit den gleichen Bezugszahlen versehen
sind. Der konstruktive Unterschied besteht jedoch in folgendem: Die Systemachse
22 ist die Achse einer drehantreibbaren Welle -74, die in einem stationären Lagergehäuse
76 gelagert ist.
-
Der Steuerkörper 20 ist am Vorderende dieser Welle drehfest angeordnet.
-
Der mit 32 bezeichnete feststehende Abwälzkörper für den Drehantrieb
des Werkzeugträgers ist durch aminen am Aussenumfang des Lagergehäuses 76 befestigten
Zahnkranz gebildet, dem im Achsabstand und koaxial der gleichfalls durch einen Zahnkranz
gebildete Wälzteil 30 zugeordnet ist. Der letztere ist hierbei am Umfange des auf
dem Steuerkörper 20 drehbar gelagerten Teils des Werkzeugträgers befestigt.
-
Bei dieser Konstruktion findet ein indirekter Zahneingriff zwischen
beiden Zahnkränzen statt, indem diese jeweils mit einem Ritzel 78 bzw. 80 kämmen,
die auf einer gemeinsamen Trägerwelle 82 drehfest angeordnet sind. Diese Trägerwelle
ist ihrerseits in einem am Umfange des Steuerkörpers 20 angeordneten Lagergehäuse
84 achsparallel gelagert. Das Ritzel 78 bewegt sich während des Betriebes dieser
Einrichtung in Art eines Planetenrades um den den Abwälzkörper 32 bildenden Zahnkranz
herum, wobei seine Drehbewegung mittels des Ritzels 80 in einer zur Erzeugung der
gewünschten Trochoide entsprechenden Ubersetzung dem Werkzeugträger 16 aufgezwungen
wird.
-
Anstelle der einen Verbindungsstange 38 können auf dem ersten Exzenter
auch mehrere, der jeweiligen Anzahl von am Werkzeugträger vorgesehenen Werkzeughaltern
entsprechende Verbindungsstangen unabhängig voneinander drehbar gelagert sein.