DE2430763B2 - Fraeswerkzeug - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein um eine Achse drehbares Fräswerkzeug zum Fräsen gekrümmter Nuten mit parallelen F'anken, insbesondere zum Fräsen von kreisringförmigen Seitendichtnuten an Kolben von Kreiskolben-Motoren, mit radial vorstehenden, auf dem Umfang beabstandeten Zähnen, mit Seitenschneidkanten und daran angrenzenden, die Nutbreite bestimmenden, auf einer konischen Rotationsfläche angeordneten Umfangsschneidkanten.

Bei der maschinellen, insbesondere spanabhebenden Herstellung von Nuten ist ein wesentlicher, zu berücksichtigender Faktor das Verhältnis von Nut-Tiefe zu Nut-Breite.

Dieses Verhältnis bestimmt z. B, ob ein zylindrischer Stirnfräser und/oder eine scheibenförmige Frässäge den notwendigen Schneidvorgang durchführen kann, wobei die Schneidwerkzeuge des zuerst erwähnten Typs bei größer werdendem Verhältnis weniger geeignet sind. 1st weiterhin die Nut gebogen, so wird die Auswahl der zur Verfugung stehenden Werkzeuge noch mehr eingeschränkt, da ein scheibenförmiger Fräser die Nutbreite beim Eintreten in das Material und beim Austreten aus diesem überschneidet

Aus der DT-AS 15 02 103 ist jedoch ein Fräswerkzeug der eingangs beschriebenen Art bekannt, dessen Zähne auf beiden Seiten mit Seitenschneidkanten versehen sind und bei dem die obenerwähnten Schwierigkeiten dadurch weitgehend überwunden werden, daß die Achse, um die sich das Werkzeug dreht, unter einem bestimmten Winkel φ<90° gegen eine zweite Achse geneigt ist, um die das Werkstück während des Fräsvorgangs eine Drehbewegung ausführt und die von der Nuteninnenwand den Abstand des Nutenradius hat. Der Winkel φ hängi nach einer in obiger DT-AS angegebenen Formel im wesentlichen vom Nuteninnenradius, vom Werkzeugdurchmesser und einer bestimmten, vom Nutengrund ζ jr Werkstückoberseite hin gemessenen Höhe h ab, und es wird gesagt, daß die Spur des Werkzeuges bei dieser Anordnung im Nutengrund und in der Höhe h genau den Sollwerten des Nuteninnen- bzw. -Außenradius entspricht, während es dazwischen zu geringfügigen, im Rahmen der üblichen Meßgenauigkeit liegenden Abweichungen kommt. Weiterhin wird gesagt, daß die Höhe h durch geeignete Wahl des Winkels φ bei gegebenem Nut- und Werkzeugdurchmessern optimal so eingestellt wird, daß sie gleich der Nuttiefe ist.

Verwendet man nun solche bekannten Fräser in der oben beschriebenen Anordnung z. B. zum Fräsen von kreisringförmigen Seitendichüwten an Kolben von Kreiskolbenmotoren, so ergeben sich aus den hohen Anforderungen dieses Anwendungsfalles ganz spezielle Probleme. So liegt z.B. das Tiefe-Breite-Verhältnis dieser Nuten in der Größenordnung 4:1, wobei es schon bei geraden Nuten schwierig wird, über ein Tiefe-Breite-Verhältnis 2:1 hinaus zu kommen, da sich in diesem Bereich für das Werkzeug erhebliche Festigkeitsprobleme einstellea Durch die Krümmung der Nuten wird diese Schwierigkeit noch verstärkt, weil durch sie die Umfangslänge des sich drehenden Werkzeuges begrenzt und damit sein Wirkungsgrad eingeschränkt ist

Ein weiteres Problem ist dadurch gegeben, daß für solche Nuten äußerst hohe Anforderungen hinsichtlich der Oberflächengüte insbesondere der Seitenflanken der Nuten gestellt werden. Um dem Rechnung zu tragen, wurde bisher ein entsprechendes Fräswerkzeug sowohl mit an der Stirnseite eines jeden Fräserzahns angeordneten Umfangsschneidkanten zum Ausheben der Nut und zur Bearbeitung des Nutbodens, als auch mit auf beiden Seiten eines jeden Fräserzahns angeordneten Seitenschneidkanten zum Nacharbeiten bzw. Schlichten der Nutflanken versehen.

Erfahrungsgemäß müssen derartige Schneidkanten freigestellt sein, um eine übermäßige Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück zu verhindern. Es war also erforderlich, jeden Fräserzahn mit drei hinterdrehten oder auf andere Art freigestellten, sehr präszise auf unter bestimmten Winkeln verlaufenden Kegelflächen angeordneten Schneidkanten zu versehen, wodurch die Herstellung und Instandhaltung eines solchen Fräsers einen erheblichen Kostenfaktor darstellten. Dies fiel um so mehr ins Gewicht als aus den oben erwähnten Gründen die Umfangslänge eines solchen Werkzeuges und damit die Anzahl der Zähne, mit denen es ausgerüstet werden kann, sehr begrenzt ist, wodurch die Häufigkeit, mit der ein einzelner Zahn bei einer bestimmten Fräsgeschwindigkeit zum Schneiden kommt, sehr hoch ist so daß starke Abnutzungseinflüsse auftreten. Dabei ist insbesondere zu beachten, daß die Arbeitsgeschwindigkeit eines solchen Fräsers sehr groß sein muß, wenn er bei der Herstellung von hohen Stückzahlen, wie sie z. B. bei der Fabrikation von Kreiskolbenmotoren üblich sind, eingesetzt wird.

Es ergibt sich also für diese bekannten Werkzeuge die besonders ungünstige Kombination von hohen Herstellungs- und Wartungskosten, starker Belastung und Abnützung bei gleichzeitig sehr hohen Anforderungen an die Qualität des mit ihnen hergestellten Produkts.

Auf diesem Stand der Technik aufbauend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fräswerkzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, das in seiner Herstellung und Instandhaltung wesentlich kostengünstiger ist als die bisher bekannten Werkzeuge und dabei hinsichtlich Arbeitsgeschwindigkeit und Qualität des erzeugten Produktes, das heißt in bezug auf Genauigkeit der Nutabmessungen und Oberflächengüte zumindest dieselbe Leistungsfähigkeit besitzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß nur die auf die konvexe Nutflanke zuweisende Seite eines jeden Fräserzahnes mit einer freigestellten Seitenschneidkante versehen ist.

Trotz der oben ausführlich dargelegten hohen Anforderungen an die Genauigkeit, mit der die Nut gefräst werden muß, und an die Oberflächengüte der Nutflanken ist es also erfindungsgemäß in völlig

überraschender Weise möglich, auf der der konkaven Hutflanke zugewandten Seite der Fräserzähne auf Schneidkanten und somit auch auf die entsprechenden Freiflächen vollständig zu verzichten. Hierdurch wird die Anzahl der an einem solchen Fräser bei der Herstellung anzubringenden und bei einem erforderlich gewordenen Nachschleifen zu bearbeitenden SchneLI-kanten um ein Drittel verringert, wodurch sowohl die Herstellungs- «fr auch die Instandhaltungskosten dieses Werkzeugs beträchtlich gesenkt werden. Erstaunlicherweise bleibt das Weglassen der »äußeren« Seitenschneidkanten ohne jeglichen negativen Einfluß auf die Qualität der mit einem solchen Fräser hergestellten Nut; der Grund hierfür liegt in der durch die Erfindung genuteten Tatsache, daß bei der Herstellung einer kreisr&gförmigen Nut mit einem um eine schräg gestellte Achse drehbaren Fräswerkzeug dte konkave Nutflanke zwangläufig durch den radial außen liegenden Eckpunkt der Umfangsschneidkante eines jeden Fräserzahnes konkav hinterschnitten wird. Durch eine geeignete Wahl des Fräser-Einstellwinkels kann lediglich erreicht werden, daß der Nutflanken-Radius am Nutengrund und an der Werkstückoberfläche genau eingehalten wird. Versucht man also, die konkave, d. h. außen liegende, leicht hinterschnittene Nutflanke mit entsprechenden Seitenschneidkanten des Fräsers nachzuarbeiten, so kommen unter der Voraussetzung, daß das Werkzeug äußerst präzise gearbeitet und geführt ist, diese äußeren Seitenschneidkanten überhaupt nicht zum Schneiden, wohingegen geringste Abweichungen dieser Seitenschneidkanten von ihrem idealen Verlauf bzw. ihrer idealen Bahn zur Folge haben, daß von der an und für sich bereits konkav hinterschnittenen äußeren Nutflanke weiteres Material abgetragen und somit die Genauigkeit der Nut verschlechtert wird. Die Erfindung nutzt also die verblüffende Erkenntnis, daß durch das Anordnen von Seitenschneidkanten nur auf den auf die konvexe Nutflanke zuweisenden Seiten der Fräserzähne Genauigkeit und Oberflächengüte der hergestellten Nut nicht nur nicht verschlechtert, sondern sogar optimiert werden.

Ein besonderer Vorteil des Fräswerkzmiges der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß wegen der geringeren Herstellungs- und Wartungskosten tatsächlich auftretende Verschieißerscheinungen weniger stark ins Gewicht fallen. Daher kann bei gleichbleibender Fiäsleistung der Durchmesser des Fräsers verringert werden, ohne daß hierdurch der Kostenfaktor übermäßig stark ansteigt Das ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die herzustellende Nut nicht einen vollen Kreisbogen bildet, sondern, wie es z. B. bei den Seitendichtnuten von KGlben für Wankelmotoren der Fall ist, in öffnungen mit relativ geringem Durchmesser endet, deren Wand an der der Eintrittsstelle der Nut gegenüberliegenden Seite keinesfalls angefräst werden dar. Ein Einschneiden in diese gegenüberliegende Wand kann aber nur dadurch vermieden werden, daß man den Durchmesser des Fräswerkzeuges entsprechend klein auslegt, was bei einem Fräser gemäß der Erfindung auf besonders wirtschaftliche Weise möglich ist.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben: in dieser zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht eines Rotors in einem Kreiskolbenmotor, wobei der Rotor seitliche Dichtungsnuten aufweist, die mit einem Fräswerkzeug gemäß der Erfindung gefräst werden können,

Fig.2 eine vereinfachte, radiale Schnittansicht des prfindunBseemäßen Fräswerkzeuges, wobei seine Beziehung zu dem als Werkstück dienenden Rotor während des Fräsens einer seitlichen Dichtungsnut dargestellt ist,

Fig.3 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Fräswerkzeuges,

Fig.4 eine Ansicht der anderen Seite des Fräswerkzeuges,

F i g. 5 einen Schnitt längs der linie 5-5 in F i g. 3.

Jn Fig. 1 ist der im wesentlichen dreiecksförmige Rotor 14 eines herkömmlichen Kreiskolbenmotors dargestellt, der auf jeder seiner ebenen Seiten 12 kreisringförmige Dichtnuten 10 aufweist Die Nuten 10 nehmen Seiten-Dichtleisten (nicht dargestellt) auf, die an den inneren Stirnwänden des Motorgehäuses dichtend anliegen, an jedem Scheitel- bzw. Eckpunkt des Rotors kreuzen benachbarte seitliche Dichtnuten 10 ein zylindrisches Loch 16, das ein zylindrisches Knopfdichtungsteil (nicht dargestellt) aufnimmt, das mit einer der Stirnwände des Motors in Berührung steht und eine dichtende Verbindung zwischen benachbarten Seiten-Dichtleisten und einer Eckpunkt-Abdichtung (nicht dargestellt) schafft, die in einer quer zu jedem Rotor-Eckpunkt verlaufenden Nut 18 gehaltert wird.

Jede Seitendichtnut 10 weist ebenso wie die ihr benachbarte Rotorfläche 20 einen konstanten Krümmungsradius auf, der von dem gemeinsamen Mittelpunkt 22 ausgeht Demgemäß hat die Rotorfläche 20 einen Radius Ä20. während die radial nach innen weisende Nutflanke 24 und die radial nach außen weisende Nutflanke 26 die Radien R24 bzw. Ä» haben, wobei die Differenz dieser beiden Nut-Radien gleich der Breite IV der Dichtungsnut 10 ist. Wie in F i g. 2 dargestellt ist ist jede Nut 10 im radialen Querschnitt rechteckig geformt, wobei die einander gegenüberliegenden Nutflanken 24 und 26 und auch die benachbarte Rotorfläche 20 senkrecht zu der Rotorseite 12 und parallel zu einer Mittellinie 27 verlaufen, die den gemeinsamen Mittelpunkt 22 schneidet und parallel zur Rotorachse 28 ist Der ebene Boden 29 der Nut verläuft senkrecht ζ ; den Nutflanken 24 und 26 und parallel zur Rotorseite 12. wobei die Tiefe der Nute mit D bezeichnet ist.

Bei Seitendichtnuten in Kolben von Wankelmotoren, wie sie in der Praxis tatsächlich Verwendung finden, beträgt die Tiefe D ungefähr 4,32 mm und die Breite W etwa 1,02 mm, so daß sich ein Tiefe-Breite-Verhältnis von 4 :1 ergibt. Zusätzlich dazu hat eine solche Nut einen Radius von ca. 228,6 mm und das Oberflächengefüge bzw. die Oberflächentextur der Nutflanken muß besser als 0,762 χ 10~³ mm sein.

In den F i g. 2 bis 5 ist ein kreisförmiges, erfindungsgemäßes Fräswerkzeug 30 dargestellt das in der Lage ist, die seitlichen Dichtungsnuten 10 in dem Rotor 14 mit den oben angegebenen Werten spanabhebend herzustellen. Der kreisförmige F.äser 30, der auch als Frässäge bezeichnet werden kann, ist um eine zentrale Achse 31 (F i g. 2) drehbar und weist eine Vielzahl von Zähnen 32 auf, die auf dem Umfang in gleichen Abständen zueinander angeordnet sind. Jeder der Fräserzähne 32 hat eine Spitze mit einer vorderen, auf dem Umfang angeordneten Schneidkante 36 und mit einem dahinterliegenden, hinterdrehten bzw. freigestellten Abschnitt 37. Alle Umfangs-Schneidkanten 36 der Zähne sind so ausgebildet, daß sie auf einer konischen Fläche liegen, deren Scheitel 38 durch die Fräserachse 31 geschnitten wird, wie in Fig.2 zu erkennen ist. Die Enden 39 und 40 einer jeden Umfangs-Schneidkante 36 sind von der Nutachse jeweils in Abständen angeordnet,

die gleich den Radien R₂* und /?» der einander ersten Kegelfläche verläuft. Man kann somit den

gegenüberliegenden Nutflanken 24 bzw. 26 sind; damit erfindungsgemäßen Fräser auch als kegelförmiges

haben die Umfangs-Schneidkanten 36 eine Länge, die Werkzeug bezeichnen.

gleich der durch die Bearbeitung herzustellenden Zur spanabhebenden Herstellung einer Nut wird die

Nutbreite Wist 5 Fräserachse 31 so ausgerichtet, daß sie die Mittellinie 27

Die auf die Nutflanken 24 bzw. 26 zuweisenden der Nut schneidet und gemäß der Darstellung in F i g. 2

Seitenflächen der Fräserzähne 32 sind unterschiedlich um einen Winkel θ in bezug auf eine Linie 49 geneigt,

ausgebildet. Während die auf die äußere Nutflanke 24 die die Mittellinie 27 der Nut im gleichen Punkt wie die

zuweisende Fläche glatt und ohne Schneidkanten, und Fräserachse 31 schneidet und in einem Abstand, der

somit auch ohne Freiflächen ist (siehe F i g. 4 und 5) io gleich der halben Nuttiefe D/2 ist über den Umfangs-

weist die auf die innere Nutflanke 26 zuweisenden Seite Schneidkanten 36 parallel zu diesen verläuft Wird die

eines jeden Fräserzahnes 32 eine Seiten-Schneidkante Fräserachse 31 unter dem Winkel θ geneigt so sind die

44 auf, die vom inneren Eckpunkt 40 der Umfangs- Umfangs-Schneidkanten 36, während sie die zu

Schneidkante 36 ausgehend um eine Strecke radial nach bearbeitende Oberfläche passieren, zu dieser Oberflä-

innen verläuft die zumindest größer als die Nuttiefe D 15 ehe parallel, während die Seiten-Schneidkanten 44

ist. Jede der Seiten-Schneidkanten 44 ist durch während des Durchgangs senkrecht zu dieser Oberflä-

Hinterdrehen oder eine ähnliche Bearbeitung mit einer ehe verlaufen. Das Fräswerkzeug 30 wird dann in das

Freifläche 48 versehen. Diese Freiflächen 48 sind im Rotor-Werkstück 14 in einer Richtung, die senkrecht

Querschnitt konkav, wie sich besonders gut in F i g. 5 zur Oberfläche ist bis auf die erforderliche Tiefe erkennen läßt Sie sind normalerweise einzeln geschlif- 20 eingeführt während es zur Durchführung seiner

fen und verringern die Reibung zwischen dieser Seite Drehbewegung angetrieben wird. Dann wird das

der Fräserzähne 32 und der inneren Nutflanke 26, Werkstück um die Mittellinie 27 der Nut gedreht,

während die nicht mit Schneidkanten oder Ausnehmun- während der Winkel θ beibehalten wird, worauf die

gen versehene andere Seite 42 eines jeden Zahnes 32 durch die Drehbewegung entstehende Schneidwirkung radial innerhalb der Umfangs-Schneidkanten 36 einen 25 der Schneidkanten 36 die Nut ausfräst Da die

natürlichen, durch da? Einschneiden der Umfangs- Schneidkanten 36 auf einer konischen Oberfläche

Schneidkante 36 in die äußere Nutflanke 24 verursach- liegen, müssen diese Kanten aufgrund ihrer Anordnung

ten Abstand zu dieser Nutflanke 24 aufweist. Dieser der Krümmung der Nut folgen, während im Vergleich

Abstand ist in F i g. 8 in übersteigerter Größe darge- hiermit ein Fräser, dessen Schneidkanten auf einer

stellt; er reicht aber in jedem Fall aus, um die Reibung 30 zylindrischen Oberfläche liegen, aufgrund dieser Anord-

zwischen dieser Nutflanke 24 und den Seiten 42 der nung immer eine geraden Bahn und nicht der

Fräserzähne 32 so klein zu halten, daß trotz des Krümmung der Nut folgen würde. Das Fräswerkzeug 30

Verzichts auf Schneidkanten und Freiflächen auf dieser folgt dagegen aufgrund seiner Form und Anordnung in

äußeren Fräserseite 42 ein einwandfreies Arbeiten des optimaler Weise der Nutkrümmung und zeigt eine sehr

Werkzeuges sichergestellt ist Obwohl an die Genauig- 35 gute Spurführungswirkung.

keit und insbesondere an den genauen rechtwinkeligen Die Anzahl der Schneid- bzw. Fräsz&iine wird im Verlauf der Nutflanken 24 und 26 in bezug auf den allgemeinen von der Art des zu bearbeitenden Materials Nutboden bzw. die Werkstücksoberfläche 12 sehr hohe und von seinem Zustand zum Zeitpunkt der Bearbeitung Anforderungen zu stellen sind, ist das oben beschriebe- abhängen. Darüber hinaus kann das Fräswerkzeug aus ne, geringfügige Einschneiden der Umfangs-Schneid- 40 einem Schnelldrehstahl hergestellt werden, oder aber kanten 36 in die äußere, konkave Nutfianke 24 die zum Schneiden verwendeten Bereiche der Fräserunbedenklich, da die Gasdrücke in einem Kreiskolben- zähne können aus Karbid bestehen; die jeweilige motor die Seitendichtleisten immer gegen die radial Auswahl des Materials hängt davon ab, welches am innenliegende Nutflanke 26 drücken. Diese Nutflanke 26 besten zur Bearbeitung des speziellen Werkstoffes wird aber durch das erfindungsgemäße Fräswerkzeug 45 geeignet ist.

exakt senkrecht zum Nutengrund und mit einer allen Ein Kriterium für die geeignete Auswahl des

Anforderungen genügenden Oberflächentextur ge- Durchmessers des Fräsers wird durch die Anforderung

schnitten. gegeben, daß beim Ausfräsen der Seiten-Dichtnuten die

Zur Erzielung des genau rechtwinkeligen Verlaufs der an den Enden dieser Dichtnuten vorgesehenen Löchei Nutinnenflanke 26 sind die geradlinig radial nach innen 50 für die Abdichtungsbolzen, die m einem typischer

verlaufenden Seiten-Schneidkanten 44 auf einer koni- Beispiel einen Durchmesser von etwa 112 mm aufwei-

sehen Fläche angeordnet deren Scheitel auf der sen, keinesfalls auf der der Einstrittsstelle der Nui

Fräserachse 31 liegt und deren Kegelwinkel so gegenüberliegenden Seite angeschnitten werden dürfen

bestimmt ist, daß die Seiten-Schneidkanten 44 senkrecht Zur Erfüllung dieser Bedingung wurde ein der Erfindunf auf den Umfangs-Schneidkanten 36 stehen. Die 55 entsprechender Fräser mit einem Radius von ungef ähi

Außenflächen 42 der Fräserzähne 32 liegen ebenfalls auf 9,9 mm hergestellt, mit dem die Ausfräsung der Nut ii

einer konischen Ffäche, deren Scheitel auf der vollständig zufriedenstellenderweise durchgeführt wer

Fräserachse 3) liegt und die im Abstand W parallel zur den konnte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Um eine Achse drehbares Fräswerkzeug zum Fräsen gekrümmter Nuten mit parallelen Flanken, insbesondere zum Fräsen von kreisringförmigen Seitendichtnuten an Kolben von Kreiskolben-Motoren, mit radial vorstehenden, auf dem Umfang beabstandeten Zähnen mit Seitenschneidkanten und daran angrenzenden, die Nutbreite bestimmenden, auf einer konischen Rotationsfläche angeordneten Umfangsschneidkanten, dadurch gekennzeichnet, daß nur die auf die konvexe Nutflanke (26) zuweisende Seite (48) eines jeden Fräserzahns (32) mit eissr freigestellten Seitenschneidk«snte (44) versehen ist