DE2908383A1

DE2908383A1 - Vorrichtung zur umfangsbearbeitung von unrunden werkstuecken, insbesondere kolbenringen

Info

Publication number: DE2908383A1
Application number: DE19792908383
Authority: DE
Inventors: Otto Feller; Manfred Kuehl; Heinz Oepen
Original assignee: Goetze GmbH
Current assignee: Goetze GmbH
Priority date: 1979-03-03
Filing date: 1979-03-03
Publication date: 1980-09-04
Also published as: IT8019065A0; US4314492A; JPS55120956A; GB2046160A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umfangsbearbeitung von unrunden Werkstücken, insbesondere von Kolbenringen, mit mindestens einem numerisch/ elektronisch steuerbaren Servo- oder Schrittmotor in Abhängigkeit von der am Werkstück zu erzeugenden Unrundkontur antreibbaren Werkzeugträger.

Zur Umfangsbearbeitung von Kolbenringen mit unrundem Innen- und Außenumfang sind Vorrichtungen bekannt, die im wesentlichen einer Drehmaschine entsprechen. Die meist paketweise axial spannbaren Kolbenringe werden beispielsweise nach der US - PS 2 932 227 an ihrem Innen- und Außenumfang gleichzeitig bearbeitet, wobei die Bearbeitungswerkzeuge an den Enden von schwenkbaren Werkzeugträgern angeordnet sind, und die radiale Zustellung von einem synchron mit der Arbeitsspindel umlaufenden Nocken gesteuert wird. Zum Abtasten der Nockenform dient eine auf eine Doppelhebelschwinge einwirkende Rolle, welche die Steuerbewegung von Nocken auf die Schwinge überträgt, letztere wiederum trägt das Werkzeug für die Innen- und Außenbearbeitung des Kolbenringpaketes. Zur Vermeidung des Abhebens der Rolle von der Nockenoberfläche bei höheren Nockendrehzahl en dient eine Andrückfeder. Bei dieser rein mechanisch arbeitenden Unrund-Kopiereinrichtung sind, bedingt durch die relativ großen pro Umdrehung des Nockens zu beschleunigenden Massen, insbesondere im Stoßbereich des zu bearbeitenden Kolbenringes, nur begrenzt Maximal-Drehzahlen der Arbeitsspindel möglich. Hieraus resultieren in Abhängigkeit zum jeweiligen Kolbenringdurchmesser unterschiedliche Schnittgeschwindigkeiten.

Die beim mechanischen Kopieren der Werkzeugzustellung beschränkten Schnittleistungen liegen weit unter den mit modernen Schneidwerkstoffen, insbesondere aus Keramik bestehenden Schneidplatten, gegebenen Möglichkeiten. Es ist zwar

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Vorrichtung zur Umfangsbearbeitung von unrunden Werkstücken, insbesondere Kolbenringen / 1703

generell nicht neu, zur unrunden Umfangsbearbeitung die Werkzeugzustellung numerisch mit Hilfe von auf Lochstreifen gespeicherten Daten zu steuern. Hierzu hat man entsprechend der DE - OS 20 06 760 mindestens zwei Stellmotore eingesetzt, deren einzeln numerisch steuerbare Stell bewegungen über eine Koppeleinrichtung einander überlagert auf das Werkzeug, den Drehßmeißel, übertragen werden. Die Verwendung mehrerer Stellmotoren und das somit erforderliche Koppelungsgetriebe bedingen nicht nur einen erheblich konstruktiven Arbeitsaufwand, sondern es müssen auch relativ große Massen beschleunigt werden, so daß solche Systeme nur bei geringen Unrundabweichungen, wie beispielsweise beim Umfangsbearbeiten von Kolben für Brennkraftmaschinen, eingesetzt werden können» Die hier auftretenden Beschleunigungsspitzen der radialen Zustellbewegung für das Werkzeug sind infolge der etwa ovalen Unrundkontur der Kolben relativ niedrig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronisch/numerisch steuerbare Werkzeugzustellung der eingangs beschriebenen Art zu verbessern, so daß auch größere Unrundabweichungen mit daraus resultierenden hohen Beschleunigungen für das Werkzeug exakt ausgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine gezielte Abstimmung der Trägheitsmomente der zu bewegenden Massen gelöst, und zwar soll das Eigenträgheitsmoment des in Zustellrichtung zum Werkstück linear oder annähernd linear zu beschleunigenden Werkzeugträgers einschließlich Werkzeug und sonstiger mitzubewegender Teile maximal dem Eigenträgheitsmoment des drehbaren Rotors des Servo- oder Schrittmotors entsprechen. Ausgehend von einer konstruktiv bedingten Mindestmasse für das Werkzeug und einen schwenkbaren linear verschiebbaren Werkzeugträger muß der als Werkzeugantrieb dienende und elektronisch/numerisch steuerbare Servo- oder Schrittmotor ein mindestens gleich großes Eigenträgheitsmoment, bezogen auf seine bei jedem Impuls beziehungsweise Schritt in Rotationsbewegung zu bringende Masse, aufweisen, um eine ausreichend genaue und schnelle Zustellung des Werkzeuges,selbst bei hohen positiven und negativen Beschleunigungsspitzen mittels eines Motors, sicherzustellen. Der Erfinduno liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß die relativ

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nahe ünfo^mgkeit der Zusteilbewegung, wie sie insbesondere beim Umfangsbs-· arbeiten von Korn-;*, ^qrohnngen in deren Stoßbereich auftritt, mittels im Werkzeugmaschinenbau zur Erzeugung bestimmter Zustellkräfte üblicher Servo- oder Schrittmotoren nicht realisierbar ist. Im vorliegenden Fall ist nicht die Schrittkraft des beziehungsweise der Werkzeuge für die Auswahl eines geeigneten und möglichst direkt von einem Rechner elektronisch steuerbaren Motors ausschlaggebend, sondern es sind die relativ hoch zu beschleunigenden Massen aufeinander abzustimmen. Für eine exakte Steuerung des Werkzeuges ist es von besonderer Bedeutung, daß beim Durchfahren des Kolbenringstoßbereiches und der an dieser Stelle schroff wechselnden Beschleunigungsrichtung die vom Motor angetriebene Werkzeugträgermasse nicht zu einem Nachschleppen der Rotormasse des Motors kommt und damit der elektronisch gesteuerten Impulsbeziehungsweise Schrittfolge Undefiniert voreilt.

Für die Bearbeitung gängiger Kolbenringdurchmesser in der Größenordnung von 50 bis 150 mm hat sich die Verwendung eines Gleichstrom-Servomotors mit einer Radiantenbeschleunigung von mindestens 160.000 RAD/sec² als Antrieb für den Werkzeugträger bei einer Unrunddrehmaschine, entsprechend der US-PS 2 932 227, als besonders geeignet erwiesen.

Zur Stabilisierung des Schwingungsverhaltens, insbesondere von schwenkbar gelagerten Werkzeugträgern, wird weiterhin ein mit dem Werkzeugträger verbundener Energiespeicher vorgeschlagen. Dieser hat die Aufgabe, einmal beim Abbremsen (negativen Beschleunigungen) der Werkzeugträgerbewegung Bewegungsenergie aufzunehmen und als potentielle Energie zu speichern und zum anderen beim positiven Beschleunigen des Werkzeugträgers die gespeicherte potentielle Energie als zusätzlich wirksam werdende Bewegungsenergie auf den Werkzeugträger wieder abzugeben. Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante dient als Energiespeicher eine Schraubendruck- oder-zugfeder. Zur Beeinflussung des statischen und dynamischen Verhaltens der Feder sollte diese vorspannbar befestigt werden, wobei darüberhinaus eine Regulierungsmöglichkeit der Vorspannung sinnvoll erscheint.

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BAD ORIGINAL

Vorrichtung zur Umfangsbearbeitung von unrunden Werkstücken, insbesondere Kolbenringen / 1703 - Jf-

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1 eine perspektivische Teilansicht einer Unrunddrehmaschine zur gleichzeitigen Innen- und Außenbearbeitung von Kolbenring-Rohlingen

Figur 2 einen Kolbenring-Rohling

Figur 3 ein Weg-, Geschwindigkeit- und Beschleunigungsdiagramm für das Drehwerkzeug der Unrunddrehmaschine

Die in Figur 1 dargestellte Unrunddrehmaschine besteht im wesentlichen aus einem Maschinenbett 1, einem Spindelstock 2, einer Traverse 3 sowie einer Ständerplatte 4. Zwischen dem Arbeitsspindel kopf 5 und der Traverse 3 kann ein Kolbenringpaket 6 drehbar und von der Arbeitsspindel antreibbar axial verspannt werden. Die Ständerplatte 4 dient zur Aufnahme eines um eine Achse 7 schwenkbar gelagerten Werkzeugträgers in Form einer Doppelhebelschwinge 8, deren erster Arm 9 eine sich in das Kolbenringpaket 6 erstreckende Bohrstange 10 und deren axial versetzt zweiter Arm 11 die Drehmeißel 12 für die Außenbearbeitung des Kolbenringpaketes 6 trägt. Die Ständerplatte ist während der Bearbeitung axial verschiebbar mit dem Maschinenbett 1 verbunden.

Zum radialen Antrieb der Werkzeuge - Drehmeißel 12 und Bohrstange 10 - dient ein Gleichstrom-Servomotor 13, dessen nicht weiter sichtbare Antriebsachse über einen Spindeltrieb 14 auf den Hebelarm 9 der Schwinge 8 gegen den Druck einer als Energiespeicher dienenden Schraubenzugfeder 15 einwirkt. Letztere ist mittels einer Schraube 16 auf eine definierte Vorspannung einstellbar. Der Gleichstrom-Servomotor wird von einem elektronischen Rechner 17 gesteuert, in welchem die Unrundkontur des zu bearbeitenden Kolbenringpaketes 6 gespeichert ist.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Eigenträgheitsmoment der um die Achse 7 schwenkbar gelagerten Doppel hebel schwinge 8 einschließlich der Drehmeißel 12 und der Bohrstange 10 geringfügig kleiner ausgebildet als das aus der Drehung des - nicht weiter dargestellten - Motor-Rotors resultierende Massenträghpitsmoment. Obwohl die Masse des gesamten Werkzeugträgers das Mehrfache der Motormasse beträgt, so wird durch das Obersetzungsverhältnis des Spindeltriebes 14 die auf den Motor-Rotor rückwirkende Massenträgheit des bewegten Werkzeugträgers auf einen Minimalwert reduziert. Zur Erreichung relativ hoher Zerspanungsleistungen und unter Einbeziehung der aus Figur 2 ersichtlichen Unrundkontur des Kolbenringes 6¹ sind relativ hohe Beschleunigungen am Werkzeug zu realisieren, die bei einem Ring - Außendurchmesser von beispielsweise 100 mm einen Servomotor mit einer Radiantenbeschleunigung von etwa 200.000 Rad/sec² erfordern.

In Figur 3 sind die bei einer Umdrehung des Kolbenringpaketes auftretenden Werte als Weg-Kurve s, Geschwindigkeits-Kurve ν und Beschleunigungskurve b über dem Drehwinkel Jf aufgetragen. Die Beschleu/iigungsspitzen 18,19 liegen dabei im Bereich der späteren Schnittstellen 20,21 des aus dem Kolbenringrohling 6¹ nach der Umfangsbearbeitung herauszuschneidenden Stoßteiles 22, vgl. Figur 2. Der Stoßbereich ist in Figur 3 mit 22' bezeichnet, und die Schnittstellen 20' und 21' sind strichpunktiert angedeutet.

Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf schwenkbar gelagerte Werkzeugträger, wobei die Werkzeuge eine nur etwa lineare Zustell bewegung ausführen, sondern sie ist in gleicher Weise auch auf gradlinig geführte Werkzeugträger anwendbar, die vielfach im Werkzeugmaschinenbau bekannt sind. Auch ist die Erfindung zur Unrundbearbeitung von Kolben für Kraft und Arbeitsmaschinen und andere Werkstücke, wie zum Beispiel Nockenscheiben, Synchronringe, Spannringe, Gehäuse für Kreiskolbenmaschinen und dergleichen mit relativ großen Abweichungen von der Kreisform und daraus resultierenden hohen Werkzeugbeschleunigungen anwendbar. Außerdem werden mit der Erfindung nicht nur spanabhebende Bearbeitungsmaschinen,

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Vorrichtung zur Umfangsbearbeitung voa unrundeii Werkstücken, insbesondere Kolbenrinaen / 1703

wie beispielsweise Dreh -, Schleif - und Fräsmaschinen, sondern auch Maschinen für spanlose Bearbeitungsverfahren, z.B. Walzmaschinen, ange sprochen.

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Leerseite

Claims

GOETZE AG Burscheid, den 02. 02. 1979

TEP 329/We/La ( 1703 )

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Umfangsbearbeitung von unrunden Werkstücken, insbesondere von Kolbenringen, mit mindestens einem numerisch/elektronisch steuerbaren Servo- oder Schrittmotor in Abhängigkeit von der am Werkstück zu erzeugenden Unrundkontur antreibbaren Werkzeugträger, dadurch gekennzeichnet, daß das Eigenträgheitsmoment des in Zustellrichtung linear zu beschleunigenden Werkzeugträgers einschließlich Werkzeug und sonstiger mitzubewegender Teile maximal dem Eigenträgheitsmoment des drehbaren Rotors des Servo- oder Schrittmotors entspricht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb für den Werkzeugträger ein Gleichstrom-Servomotor dient, dessen Radiantenbeschleunigung mindestens 160.000 RAD/sec² beträgt.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Werkzeugträger verbundener Energiespeicher vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiespeicher eine Schraubendruck- oder -zugfeder dient.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder vorspannbar befestigt ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Feder einstellbar ist.

GOETZE AG

4.1.4. Nr. 182/73,

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