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Drehmaschine für die Bearbeitung der Umfangsflächen von
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unrunden Kolbenringen.
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Die Erfindung betrifft eine Drehmaschine für die Bearbeitung der Umfangsflächen
von unrunden Kolbenringen, mit einer die Kolbenringe einzeln oder paketweise aufnehmenden,
von einem Motor über einen Riementrieb mit einer durch Federdruck gegen den Riemen
schwenkbaren Spannrolle antreibbaren Arbeitsspindel, deren Winkelgeschwindigkeit
mittels einer im Riementrieb vorgesehenen Kurvenscheibe pro Kolbenringumdrehung
zwischen zwei Grenzwerten veränderbar ist.
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Zur Umfangsbearbeitung von Kolbenringen mit unrundem Innen -und Außenumfang
sind Vorrichtungen bekannt, die im wesentlichen einer Drehmaschine mit einer Kopiereinrichtung
entsprechen. Die meist paketweise axial verspannten und mit einer antreibbaren Arbeitsspindel
verbundenen Kolbenringe werden beispielsweise nach der DE - PS 10 45 204 gleichzeitig
am Innen - und Außenumfang bearbeitet, wobei die Bearbeitungswerkzeuge an den Enden
von schwenkbaren Werkzeuges trägern angeordnet sind, deren radiale Zustellung von
einem synchron mit der Arbeitsspindel umlaufenden Kopiernocken steuerbar ist. Insbesondere
offenbart die DE - PS 10 43 015 ein verstellbares Doppel hebel system zur Steuerung
des Werkzeuges für die Unrundbearbeitung der Kolbenringe. Derartige Drehmaschinen
haben sich seit vielen Jahren bewährt.
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Nachteilig ist jedoch die von der Unrundform des Kolbenringes abhängige
maximale Drehzahl der Arbeitsspindel. Insbesondere im späteren Stoßbereich des Kolbenringes
mit einer relativ geringen Krümmung besteht das Problem, daß bei einer Steigerung
der Arbeitsspindeldrehzahl und damit synchron
auch der Kopiernockendrehzahl
die Kopierrolle abhebt bzw.
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die Massenträgheit des Kopierhebelsystems eine exakte Obertragung
der Unrundkontur nicht mehr gewährleistet. Andererseits wurden zwischenzeitlich
Schneidwerkzeuge entwickelt, die eine wesentlich höhere Schnittgeschwindigkeit zulassen
und somit zu einer Steigerung der Arbeitsleistung einer Drehmaschine beitragen können.
Auch sprechen fertigungstechnische Untersuchungen für eine wesentliche Erhöhung
der Schnittgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück bei gleichzeitiger Reduzierung
der Schnittiefe bzw. des Vorschubes, um die mechanische und thermische Belastung
des Werkstückes beim Schneidvorgang zu reduzieren. Auf diese Weise können im Werkstoffgefüge
infolge des Bearbeitungsprozesses unerwünscht entstehende innere Spannungen auf
ein Minimum reduziert werden.
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Durch die CH - PS 180.127 ist es bereits bekannt, zum Schleifen von
unrunden Nocken die Winkelgeschwindigkeit des zu bearbeitenden Werkstückes derart
zu steuern, daß die Relativgeschwindigkeit zwischen der Berührungsstelle des Werkzeuges
auf dem Werkstück und dem Werkstück selbst konstant oder nahezu konstant ist. Realisiert
wird dies durch den Einsatz eines hydraulischen Antriebsmotors, dessen Antriebswellen
- Winkelgeschwindigkeit mittels einer auf der Antriebswelle befestigten und von
einem Steuernocken abtastbaren Kurvenscheibe regelbar ist. Das Werkstück wird dabei
direkt ohne Ober - oder Untersetzung von dem Hydraullkmotor angetrieben. Drehmaschinen
mit elektrisch betriebenen Antriebsmotoren sind auf diese Weise nicht regelbar.
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Bei einer Nockenschleifmaschine nach der DE - OS 21 39 322 wird die
Winkelgeschwindigkeit des zu schleifenden Werk-
stückes mittels
einer im Riementrieb zwischen Antriebsmotor und Arbeitsspindel vorgesehenen Kurvenscheibe
werkstUckabhängig verändert, indem eine Abtastrolle auf der Kurvenscheibe läuft
und über ein Hebelsystem die Riemenlänge des treibenden Trums verändert.
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Schließlich offenbart die DE - OS 22 21 813 einen eine oder zwei ellipsenförmige
Riemenscheiben aufwelsonden Riementrieb. Durch die Ellipsenform der Riemenscheibe
bleibt zwar der Antriebsriemen ohne zusätzliche Spannmittel gespannt.
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Die jeweiligen Maximal - und Minimalwerte der Winkelgeschwindigkeit
der Arbeitsspindel liegen dabei jedoch jeweils um 900 zueinander versetzt diametral
gegenüber.
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Zur Bearbeitung von unrunden Kolbenringumfangsflächen stellt sich
neben dem Problem der beim Drehen wesentlich höheren Drehzahl der Arbeitsspindel
als beim Schleifen zusätzlich das Problem der hohen Unrundabweichungen innerhalb
eines relativ kurzen Umfangsabschnittes, nämlich im Bereich des späteren Ringstoßes.
Eine diesen besonderen Bedingungen angepaßte Kurvenscheibe zur exakten Anpassung
der Winkelgeschwindigkeit der Arbeitsspindel an die tatsächliche Umfangskontur des
Werkstückes würde zu extrem hohen Beschleunigungen in der Zustellbewegung des Werkzeuges
im Stoßbereich des Kolbenringes führen. Diese Beschleunigungsspitzen in der Zustellbewegung
sind nur schwer beherrschbar und würden eine völlige änderung des Kopier - Steuersystems
der eingangs beschriebenen und bewährten Drehmaschinen erfordern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine einfache Anderung des bisherigen
Antriebssystemes die mittleren Arbeitsdreh-
zahlen der Unrund -
Drehmaschinen zu erhöhen und damit die Arbeitsleistung der Drehmaschinen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Steuerung
der Winkelgeschwindigkeit der Arbeitsspindel und damit gleichzeitig zur synchronen
Steuerung der Winkelgeschwindigkeit des mit der Arbeitsspindel verbundenen Kopiernockens
eine an sich kreisrunde, auf der Antriebswelle exzentrisch angeordnete Riemenscheibe
dient. Diesem Vorschlag liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die am weitestcn voneinander
abweichenden Werte der Krümmungsänderung eines Kolbenringumfanges etwa diametral
gegenüberliegen, nämlich einmal im Bereich des Ringstoßabschnittes mit zwei dicht
nebeneinander liegenden, relativ kleinen Krümmungshalbmessern und einmal im Bereich
des Ringrückens mit einem dem halben Nenndurchmesser des Kolbenringes entsprechenden,
relativ großen Krümmungshalbmesser. Die Verwendung einer kreisringförmigen und damit
einfach herstellbaren Riemenscheibe mit exzentrischer Anordnung bringt infolge des
sinusförmigen Verlaufs der Winkelgeschwindigkeit eine ebenfalls sinusförmig verlaufende
positive und negative Beschleunigung bei der Bearbeitung Jeweils eines halben Kolbenringumfanges
mit sich, so daß extreme Beschleunigungsspitzen vollends vermieden werden. Auf diese
Weise wird eine für die Praxis besonders einfach realisierbare und der Ideal lösung
sehr nahe kommende Anpassung der Winkelgeschwindigkeit der Arbeitsspindel an die
besondere Unrundkontur des Werkstückes erreicht. Durch die synchron mit der Arbeitsspindel
im Bereich des Ringstoßes reduzierte Winkelgeschwindigkeit des Kopiernockens wird
darüberhinaus ein Abheben der die Werkzeuge steuernden Abtastrolle vom Kopiernocken
verhindert.
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Zum Ausgleich der unterschiedlich wirksamen Länge des treibenden Riementrums
dient eine federnd abgestützte und ohnehin als Spannmittel für den Riementrieb erforderliche
Rolle.
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Nach einem weiteren Vorschlag ist die auf die Spannrolle des Riementriebes
einwirkende Feder als Energiespeicher ausgelegt, d.h. die Feder weist eine weit
über die erforderliche Spannkraft hinausgehende Rückstellkraft sowie eine äußerst
steile Federkennlinie auf und dient somit zur wechselweisen Aufnahme und Abgabe
potentieller Energie pro Umdrehung der exzentrisch gelagerten Riemenscheibe. Durch
die sinusförmige Veränderung der Winkelgeschwindigkeit der Arbeitsspindel wird gleichzeitig
eine gleichmäßige Schwingbewegung der federbeaufschlagten Spannrolle erreicht, wodurch
die erforderlichen Kräfte für die zu bewegenden Massen in Grenzen bleiben. Eine
derartige Verwendung der mit der Spannrolle verbundenen Feder ist bei den bekannten
Vorrichtungen nicht vorgesehen, auch wenn prinzipiell jede Feder zur Speicherung
potentieller Energie geeignet ist. Erst die extreme Auslegung einer Feder mit relativ
hoher Spannkraft und steiler Federkennlinie bringt einen brauchbaren Energiespeicher
-Effekt. Die absolute Höhe und die am besten geeignete Federkennung muß jedoch den
konstruktiven Bedingungen angepaßt und empirisch ermittelt werden.
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Schließlich wird eine besonders günstige konstruktive Lösung zur Ausbildung
und Anordnung einer Spannrolle mit Feder vorgeschlagen. Danach ist die Spannrolle
an einem Ende eines Doppelhebels angeordnet, die Feder greift an dessen anderem
Ende an, und der Doppelhebel ist am Ende eines schwenkbar gelagerten und mittels
einer Stützrolle von der Riemenscheibe bewegbaren Bügels gelenkig befestigt. Auf
diese
Weise wird sichergestellt, daß die Feder unmittelbar über ein starres, mit einer
Stützrolle versehenes Hebelsystem gespannt wird und nicht mittelbar über den Riemen,
der im Laufe der Betriebszeit allmählich gelängt wird und somit direkt die Federspannkraft
proportional abfällt. Um den Einfluß der Längenänderung des Riemens auf ein Minimum
zu reduzieren, wird darüberhinaus vorgeschlagen, die wirksame Hebellänge des mit
der Feder gekoppelten Armes des Doppelshebels wesentlich kürzer als die wirksame
Hebellänge des die Spannrolle tragenden Armes des Doppel hebels zu gestalten. Auf
diese Weise wird der größte Anteil der Federkraftänderung für die beabsichtigte
Energie - Aufnahme beziehungsweise - Abgabe ausgenutzt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 eine Frontal ansicht
einer Drehmaschine fUr die Bearbeitung von Kolbenringpaketen Figur 2 eine Funktionskurve
der Drehmaschine Figuren 3 und 4 je eine Seitenansicht zweier Riementriebe als Prinzipskizze
Die in Figur 1 dargestellte Prinzipskizze zeigt eine Drehmaschine für die gleichzeitige
Innen - und Außenbearbeitung von unrunden Kolbenringen. Die Drehmaschine besteht
aus einem Spindelstock 1 mit einer darin drehbar gelagerten Arbeitswelle 2, einem
Gegenjoch 3 mit einer drehbaren und axial spannbaren Aufnahme 4 zum axialen Spannen
eines Kolbenringpaketes 5. Die Werkzeuge 6,7 für die Innen - und Außenbearbeitung
des Kolbenringpaketes sind Uber einen Hebei 8 bzw. eine Bohrstange 9 mit einer schwenkbaren
Schwingenstange
10 verbunden. Letztere ist in zwei auf einem Längsschlitten 11 befestigten Ständern
12,12' gelagert. Die bei der gegebenen unrunden Umfangskontur der Kolbenringe bedingten
radialen Schwingbewegungen der Werkzeuge 6,7 werden von einem synchron mit der Arbeitsspindel
2 umlaufenden Kopiernocken 13 über einen Hebel 14 mit Abtastrolle auf die Schwingenstange
10 Ubertragen. Der Antrieb der Arbeitsspindel besteht aus einem Elektromotor 16,
dessen Ankerwelle 17 über einen Riementrieb 19 mit der Arbeitsspindel 2 verbunden
ist.
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Durch gleichmäßiges Beschleunigen und Abbremsen der Massen des Antriebssystemes
mittels der exzentrisch gelagerten, kreisrunden Riemenscheibe lassen sich Ungleichförmigkeitsgrade
in der Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle in Form einer in Figur 2 dargestellten
Funktion einer Sinusschwingung realisieren, womit eine ausreichende Annäherung an
die Unrundform eines Kolbenringes sichergestellt ist.
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In Figur 3 ist eine Ausführungsvariante eines Riementriebes der Drehmaschine
dargestellt. Die von einem üblichen Drehstrommotor mit konstanter Drehzahl angetriebene
Riemenscheibe 30 treibt mittels des Riemens 31 die auf der Arbeitsspindel einer
Drehmaschine befestigte Riemenscheibe 32 an. Zur Erzeugung einer ungleichförmigen
Winkelgeschwindigkeit der Arbeitsspindel dient die als Exzenter ausgebildete, an
sich kreisrunde Riemenschelbe 32, wobei die Größe der Exzentrizität X ein Maß für
die Größe der Anderung der Winkelgeschwindigkeit pro Umdrehung der Arbeitsspindel
ist. Eine auf den die Spannrolle 33 für den Riemen 31 tragender Hebel 34 wirkende
Feder 35 ist in ihrer Federkennung so hoch dimensioniert, daß die Feder 35 einen
be-
trächtlichen Anteil der vom Motor 30 in den Riementrieb eingeleiteten
Bewegungsenergie abwechselnd speichert und freigibt.
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Der in Figur 4 dargestellte Riementrieb hat einen noch besseren Wirkungsgrad
bezüglich der von der exzentrisch mit der Arbeitsspindel verbundenen Riemenscheibe
32' in der Feder 35' zwischengespeicherten Energieaufnahme beziehungsweise - abgabe.
Die auf den Riemen 31' wirkende Spannrolle 33' ist an einem Ende eines Doppelhebels
36 angeordnet, während am anderen Ende des Doppelhebels 36 die Feder 35' angreift.
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Der Doppelhebel ist schwenkbar am Ende eines ebenfalls schwenkbar
gelagerten Bügels 37 gelenkig befestigt. Der Bügel 37 stützt sich über eine etwa
mittig am Bügel 37 vorgesehene Stützrolle 38 auf einer Umfangsfläche der exzentrischen
Riemenscheibe 32' ab. Die radiale Hubbewegung der Riemenscheibe 32' wird somit in
etwa doppelter Größe auf die Feder Uber das biegesteife Hebelsystem Ubertragen.
Dadurch, daß die wirksamen Hebellängen des Doppelhebels 36 wie dargestellt unterschiedlich
sind, wird nur ein geringer Anteil der Federkraft zum Spannen des Riemens 31' benötigt.
Somit wirken sich auch Längenänderungen des Riemens 31' nach längerer Betriebszeit
nur geringfügig auf die Federkraft aus.