DE3001334A1

DE3001334A1 - Verfahren und fraesmaschine zum bearbeiten von mehrfach gekroepften kurbelwellen

Info

Publication number: DE3001334A1
Application number: DE19803001334
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dipl Ing Blaimschein; Bruno Dipl Ing Dr Te Kralowetz
Original assignee: GFM Gesellschaft fuer Fertigungstechnik und Maschinenbau AG
Current assignee: GFM Gesellschaft fuer Fertigungstechnik und Maschinenbau AG
Priority date: 1979-03-08
Filing date: 1980-01-16
Publication date: 1980-09-18
Also published as: GB2045138A; DE3001334C2; AT358361B; DD149322A5; ATA172879A; FR2450654A1; JPS55144919A; GB2045138B; US4326323A; FR2450654B1

Description

GFM - Gesellschaft für Fertigungstechnik und 7(1 Π 1

Maschinenbau AG ^UU I

Ennserstr.14

4407 Steyr - Österreich Patentanwälte

Dr. rer. nat. DIETER LOUIS

_ 3 _ Dlpl.-Phys. CLAUS PDHLAU

Dipl.-Ing. FRANZ LOHRENTZ Dipl.-Phys.WOLFGANG SEGET!!

KESSLERPLATZ 1 8500 NÜRNBERG 2.

Verfahren und Fräsmaschine zum Bearbeiten von mehrfach gekröpften Kurbelwellen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbeiten von mehrfach gekröpften Kurbelwellen mit zwei Werkzeugen, von denen jedes in einem Arbeitsschritt einen Wellenzapfen und die an ihn anschließenden Kurbelwangenseitenflächen bearbeitet, sowie auf eine Fräsmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens.

Um einen möglichst raschen Arbeitsablauf zu erreichen, werden oft zur Bearbeitung einer Kurbelwelle zwei Werkzeuge nebeneinander eingesetzt. Diese Werkzeuge arbeiten aber nach den bekannten Verfahren stets in gewisser Abhängigkeit voneinander, da sie jeweils in gleicher Richtung einstechen und außerdem ihre Einstichbewegung und ihr Vorschub aufeinander abgestimmt werden müssen. Das dadurch erzwungene gleichzeitige und paarweise Arbeiten der Werkzeuge bringt aber Verluste der Arbeitszeit mit sich, da keines der Werkzeuge optimal eingesetzt werden kann, sondern beide Werkzeuge immer nach den jeweils ungünstigeren Bedingungen arbeiten · ■ müssen. Wird nämlich die Kurbelwelle für die Zapfenbearbeitung gedreht und nur für die Einstichbewegung stillgehalten, muß solange gewartet werden, bis beide Werkzeuge den Einstichvorgang beendet haben, worauf erst die Zapfenbearbeitung erfolgen kann. Da der Einstich bei einer Lagerzapfenbearbeitung kürzer als bei einer Hubzapfenbearbeitung dauert, ergibt sich für das den Lagerzapfen bearbeitende Werkzeug somit eine verlorene Wartezeit. Auf Grund der gleichen Einstichrichtung beider Werkzeuge müssen aber darüber hinaus noch

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weitere Bearbeitungszeitverluste in Kauf genommen werden, da beim gleichgerichteten Einstichvorgang nicht von beiden Werkzeugen gleichzeitig jeweils auch die maximale Materialmenge von den Kurbelwangenseitenflächen abzuarbeiten ist, so daß auch bei der anschließenden Zapfenbearbeitung noch sehr lange Späne auftreten, die kleinere Vorschübe verlangen und damit längere Fräszeiten bedingen. Die vorbestimmte, immer gleich bleibende Einstichrichtung macht außerdem auf jeden Fall auch ein Teilen der Kurbelwelle erforderlich, das weiteren Zeitaufwand beansprucht. Diese Nachteile wirken sich selbstverständlich bei Kurbelwellen mit von O und 180° abweichenden Kurbelversetzungen besonders ungünstig aus, so daß die bekannten Bearbeitungsverfahren mit zwei Werkzeugen hier überhaupt nicht rentabel angewendet werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen und ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, mit dem eine optimale Ausnutzung der beiden Werkzeuge ermöglicht ist und auf einfache Weise eine weitere wesentliche Verkürzung der Bearbeitungszeit für Kurbelwellen erreicht wird. Außerdem soll eine Fräsmaschine geschaffen werden, die besonders zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß Einstichrichtung und Vorschub jedes Werkzeuges unabhängig vom anderen allein nach den für den jeweiligen Arbeitsschritt maßgebenden Verhältnissen gewählt werden. Läßt man also die beiden Werkzeuge im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren vollkommen unabhängig voneinander arbeiten, kann jedes Werkzeug entsprechend den jeweiligen Verhältnissen optimal eingesetzt werden und seinen jeweiligen Arbeitsschritt in einem durchführen, so daß es zu keinen Wartezeiten durch die Einstichbewegung des anderen Werkzeuges und zu keinen verminderten Vorschüben durch eine zu ge-

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ringe Bearbeitungsrate beim Einstich kommt. Da die Werkzeuge für jeden Arbeitsschritt gesondert, unabhängig voneinander optimiert werden können, ist dieses Verfahren vor allem auch bei Kurbelwellen rationell anwendbar, deren Kurbelversetzungen von 0 und 180° abweichen. Durch den optimierten Einsatz der einzelnen Werkzeuge lassen sich in Abhängigkeit von der Kurbelwellenausbildung Einsparungen der Arbeitszeit von ca. 30 bis 4096 erreichen, was ein praktisches Beispiel belegt: Bei der Bearbeitung mit drehender Kurbelwelle ergeben sich für den Einstich des Werkzeuges zur Lagerzapfenbearbeitung eine Zeit von 0,37 min und für den Einstich des Werkzeuges zur Hubzapfenbearbeitung eine Zeit von 0,64 min. Für den Umlauf muß der Vorschub so gewählt werden, daß der längste Span bei der Lagerzapfenbearbeitung oder bei der Hubzapfenbearbeitung eine gewisse Spanstärke nicht übersteigt, was eine Umlaufzeit von 1,34 min mit sich bringt. Die Gesamtbearbeitungszeit für beide Arbeitsschritte liegt daher bei 1,98 min, das ist die längste Einstichzeit zusätzlich der Umlaufzeit. Wird die gleiche Welle nach dem erfindmgsgemäßen Verfahren bearbeitet, ergeben sich für das Werkzeug zur Lagerzapfenbearbeitung eine Einstichzeit von 0,37 min und eine Umlaufzeit von 1,04 min sowie für das Werkzeug zur Hubzapfenbearbeitung eine Einstichzeit von 0,64 min und eine Umlaufzeit von 0,72 min. Die Arbeitsschritte für die Lager- und Hubzapfenbearbeitung dauern demnach 1,41 min, das ist die Zeit für den länger dauernden Arbeitsschritt. Es stellt sich somit bereits bei der Bearbeitung jeweils eines Hubzapfens und eines Lagerzapfens ein beträchtlicher Zeitgewinn ein, der sich bei der Bearbeitung der ganzen,mehrere Hub- und Lagerzapfen aufweisenden Kurbelwelle entsprechend summiert. Dieser Zeitgewinn tritt bereits dann auf, wenn beide Werkzeuge ihren Arbeitsschritt jeweils gleichzeitig beginnen und das Werkzeug mit dem

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kürzeren Arbeitsschritt auf das andere wartet, um eine gemeinsame Positionierung der Werkzeuge in Werkstücklängsrichtung zu ermöglichen. Werden die Werkzeuge aber auch unabhängig voneinander positioniert, und zwar eben dann, wenn sie ihren jeweiligen Arbeitsschritt vollendet haben, ist eine zusätzliche Zeiteinsparung gegeben. Wird ein solcher vollkommen unabhängiger Werkzeugeinsatz vorgenommen, könnte beispielsweise von einer mittleren Kurbelwellenabstützung durch eine Lünette ausgehend jedes der Werkzeuge auf einer Kurbelwellenhälfte die Hub- und Lagerzapfen samt den anschließenden Kurbelwangenseitenflächen der Reihe nach bearbeiten.

Da,um für die anschließende Zapfenbearbeitung einen günstigen Vorschub zu erreichen, schon beim Einstichvorgang möglichst viel Material von den Kurbelwangenseitenflächen at gearbeitet werden soll, ist die Einstichrichtung bei der Hubzapfenbearbeitung praktisch von vornherein durch die beiden parallelen,/diesen Hubzapfen anschließenden Kurbelwangen vorbestimmt und führt entlang der Verbindungsgeraden von der Lagerzapfenachse zur Hubzapfenachse. Anders liegen die Verhältnisse bei der Bearbeitung der Lagerzapfen, da oft die an die Lagerzapfen anschließenden Kurbelwangen zueinander versetzt sind. Um auch hier optimale Ergebnisse zu erreichen, wird erfindungsgemäß bei einem Arbeitsschritt zur Bearbeitung eines Lagerzapfens mit den anschließenden Kurbelwangenseitenflächen das Werkzeug in Richtung der Winkelsymmetralen . des Versetzungswinkels der beiden jeweils benachbarten Kurbeln eingestochen. Damit ist gewährleistet, daß in Summe bereits beim Einstich von den an den Lagerzapfen anschließenden Kurbelwangenseitenflächen ein maximaler Anteil bearbeitet wird. In Weiterbildung der Erfindung wird zur Durchführung des Verfahrens eine Fräsmaschine mit einem Maschinenbett, zwei Aufnahmestocken für das Werkstück und zwei Fräswerk-

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zeugen vorgeschlagen, bei der als Fräswerkzeuge ringförmige, innenschneidende Messerköpfe dienen, für jeden Messerkopf ein eigener, auf einem Längsschlitten sitzender Frässchlitten vorgesehen ist, die Frässchlitten als Kreuzschlitten ausgebildet sind, die Antriebe der Kreuzschlitten unabhängig voneinander steuerbar sind, die Einstichrichtung jedes Messerkopfes frei wählbar ist, die Aufnahmestöcke während der gesamten Bearbeitungszeit das Werkstück stillstehend spannen und vorzugsweise eine das Werkstück zwischen den Messerköpfen unterstützende Lünette angeordnet ist. Mit dieser Fräsmaschine ist man in der Lage, die beiden Messerköpfe unabhängig voneinander und wunschgemäß einzusetzen, so daß sie ohne besonderen Konstruktionsaufwand die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn für die Steuerung der Bewegung beider Messerkopfmittelpunkte eine jeweils die Kreuzschlittenantriebe und vorzugsweise auch die Längsschlittenantriebe kontrollierende numerische Steuerung vorgesehen ist, da eine solche numerische Steuerung mit relativ einfachen Mitteln die erforderliche voneinander unabhängige Bewegung der beiden Messerköpfe in allen drei Koordinatenrichtungen ermöglicht.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen rein schematisch die

Fig. 1a und 1b den Einstichvorgang bei einer Lagerzapfenbearbeitung gemäß den bekannten Verfahren bzw. gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, die

Fig. 2a und 2b den Einstichvorgang bei der Hubzapfenbearbeitung wiederum gemäß den bekannten Verfahren und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie Fig. 3 eine erfindungsgemäße Fräsmaschine in teilweise geschnittener Seitenansicht.

Nach den bekannten Verfahren zur Bearbeitung von Kurbelwellen mit zwei Messerköpfen sind beide Messerköpfe

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M., Mp in gleicher Richtung einzustechen und ihr Einstichvorgang und ihr Vorschub aufeinander abzustimmen. Werden daher, wie in Fig. 1a und 2a angedeutet, mit dem Messerkopf M₁ ein Lagerzapfen L und mit dem Messerkopf Mp ein Hubzapfen H sowie jeweils in einem Arbeitsschritt mit dem Zapfen die anschließenden Kurbelwangenseitenflächen W bearbeitet, stechen beide Messerköpfe M₁, Mp in Richtung des Pfeiles E ein, wobei der Einstich e^ des Messerkopfes M₁ und der Einstich e₂ des Messerkopfes Mp verschieden lang dauern. Der Messerkopf M₁ muß also nach Beendigung seines Einstiches e.. warten, bis auch der Messerkopf Mp seinen Einstich e~ beendet hat, worauf dann die gleichzeitige Bearbeitung des Lagerzapfens L und des Hubzapfens H erfolgt. Der Vorschub dafür kann nun wiederum nicht optimal für beide Messerköpfe M₁, Mp ausgelegt werden, da beide Messerköpfe bei der Zapfenbearbeitung zusätzlich noch ungleiche Anteile der Kurbelwangenseitenflächen W bearbeiten müssen (punktierte Flächen) und der Vorschub sich nach den längsten noch auftretenden Spänen richten muß. Besonders ungünstige Verhältnisse ergeben sich vor allem dann·, wenn, wie in der Zeichnung dargestellt, eine Kurbelwelle mit einer von 0° und 180° abweichenden Kurbelversetzung zu bearbeiten ist, denn bei einer solchen Kurbelwelle verbleibt einerseits nach dem Einstich des Messerkopfes M₁ für die Lagerzapfenbearbeitung ein relativ großer Teil der Kurbelwangenseitenflächen W unbearbeitet (punktierte Fläche, Fig. 1a), und es muß anderseits die Kurbelwelle entsprechend der jeweiligen Versetzung des Hubzapfens geteilt werden.

Bei einem Einsatz der Messerköpfe M₁ und Mp nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich nun im Gegensatz dazu wesentlich verbesserte Bedingungen, wie in den Fig. 1b und 2b veranschaulicht ist. Hier können die Messerköpfe M₁, Mp unabhängig voneinander arbeiten, so daß jeder Messerkopf hinsichtlich Einstich und Vorschub optimal

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auf den gerade zu bearbeitenden Zapfen und den jeweils anschließenden Kurbelwangenseitenflächen eingestellt werden kann. Zur Bearbeitung des Lagerzapfens L (Fig. 1b) sticht der Messerkopf IVL in Richtung des Pfeiles E. ein, die so gewählt ist, daß bereits beim Einstich ein maximaler Anteil der Kurbelwangenseitenflächen W abgearbeitet wird. Die Einstichrichtung liegt daher in der Winkelsymmetralen durch den Versetzungswinkel oC der beiden beim Einstich zu bearbeitenden Kurbelwangen. Der nach dem Einstich e^ noch nicht bearbeitete Teil der Kurbelwangenseitenflächen W wird so minimal gehalten, was auch ein Vergleich der entsprechend punktierten Flächen in Fig. 1a und Fig. 1b veranschaulicht. Dieser geringere Anteil der bei der eigentlichen Zapfenbearbeitung noch zu bearbeitenden Kurbelwangenseitenflächen erlaubt für die Zapfenbearbeitung einen größeren Vorschub, mit dem außerdem sofort nach dem Einstich e,. des Messserkopfes M₁ begonnen werden kann, da nicht mehr gewartet zu werden braucht, bis auch der Messerkopf Mpseinen Einstichvorgang beendet hat. Auch der Messerkopf M₂ wird bei seinem Einsatz nur nach den bei der jeweiligen Hubzapfenbearbeitung maßgebenden Verhältnissen ausgelegt, wobei selbstverständlich ein Teilen der Kurbelwelle unnötig ist, da die Einstichrichtung Ep des Messerkopfes Mp frei gewählt werden kann und jederzeit nach der gerade vorhandenen Kurbellage orientierbar ist. Auch der Messerkopf M₂ beginnt sofort nach Vollendung seines Einstiches θρ mit der Bearbeitung des Hubzapfens H, wobei unabhängig vom Messerkopf M^ für den Messerkopf M₂ ein relativ rascher Vorschub möglich ist, da die an den Hubzapfen H anschließenden Kurbelwangenseitenflächen W größtenteils bereits beim Einstich bearbeitet wurden und nur mehr ein recht geringer Anteil dieser Seitenflächen bei der eigentlichen Zapfenbearbeitung mitgearbeitet werden muß.

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In Fig. 3 ist eine Fräsmaschine mit zwei unabhängig voneinander einsetzbaren Werkzeugen dargestellt. Als Werkzeuge dienen dabei ringförmige, innenschneidende Messerköpfe 1, die jeweils über eine Werkzeugtrommel 2 in einem eigenen Kreuzschlitten 3 lagern, welcher Kreuzschlitten 3 aus einem Horizantalschlitten 3a und einem Vertikalschlitten 3b besteht. Die Kreuzschlitten 3 sitzen auf Längsschlitten 4, die entlang des Maschinenbettes 5 längsverfahrbar sind. Für den Antrieb von Horizontal- und Vertikalschlitten 3a, 3b sind jeweils eigene Motoren 6, 7 vorgesehen, die über entsprechende Getriebe und Gewindespindeln 8, 9 die Schlitten 3a, 3b bewegen. Als Antrieb für die Längsschlitten 4 dienen ebenfalls eigene Motoren und Gewindespindeln 11. . z_ur Kontrolle der

Schlittenbewegungen bzw. zur Steuerung der Schlittenantriebe ist eine numerische Steuerung vorgesehen, mit der die beiden Messerköpfe 1 unabhängig voneinander in den drei Koordinatenrichtungen bewegbar sind. Auf dem Maschinenbett 5 der Fräsmaschine sind weiters„zwei Aufnahmestöoke 12 angeordnet, die das zu bearbeitende Werkstück 13 während der ganzen Bearbeitungszeit stillstehend spannen. Zur Unterstützung des Werkstückes 13. bei der Bearbeitung durch die Messerköpfe 1 ist außerdem eine Lünette 14 vorgesehen, die zwischen den beiden Längsschlitten 4 auf dem Maschinenbett 5 verschiebbar lagert und einen oder, wie in der Fig. 3 angedeutet, zwei Lagerzapfen des Werk-· Stückes abstützen kann.

Auf Grund der beiden jeweils numerisch gesteuerten Kreuzschlitten 3 ist es möglich, die beiden Messerköpfe 1 der Fräsmaschine vollkommen unabhängig voneinander einzusetzen und sie jeweils optimal auf die gerade zu bearbeitende Werkstückstelle auszurichten. Für jeden Messerkopf ist unabhängig vom andern die Einstichrichtung und die Vor-

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Schubbewegung frei wählbar, so daß sich mit dieser Fräsmaschine kürzeste Arbeitszeiten erreichen lassen.

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Claims

GFM - Gesellschaft für 20 125/ba Fertigungstechnik und Patentanwälte Maschinenbau AG Dr. rer. nat. dieter louis Ennserstr« 14 Dfpi.-Phys. claus pdhlau ι,,,ηη σ+- Λ 4- -ν. Dipl.-Ing. FRANZ LOHRENTZ 440/ Steyr - Osterreich DiPi.-Phys.woLFGANG segeth KESSLERPLATZ 1 8500 NÜRNBERG 20 Patentansprüche :

1.,- Verfahren zum Bearbeiten von mehrfach gekröpften Kurbelwellen mit zwei Werkzeugen, von denen jedes in einem Arbeitsschritt einen Wellenzapfen und die an ihn anschließenden Kurbelwangenseitenflächen bearbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß Einstichrichtung und Vorschub jedes Werkzeuges unabhängig vom anderen allein nach den für den jeweiligen Arbeitsschritt maßgebenden Verhältnissen gewählt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Arbeitsschritt zur Bearbeitung eines Lagerzapfens mit den anschließenden Kurbelwangenseitenflächen das Werkzeug in Richtung der Winkelsymmetralen des Versetzungswinkels der beiden jeweils benachbarten Kurbeln eingestochen wird.

3. Fräsmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Maschinenbett, zwei Aufnahmestöcken für das Werkstück und zwei Fräswerkzeugen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender, an sich bekannter Merkmale:

a) daß als Fräswerkzeuge ringförmige, innenschneidende Messerköpfe (1) dienen,

b) daß für jeden Messerkopf (1) ein eigener, auf einem Längsschlitten (4) sitzender Frässchlitten vorgesehen ist,

c) daß die Frässchlitten als Kreuzschlitten (3) ausgebildet sind,

d) daß die Antriebe (6; 7) der Kreuzschlitten (3) unabhängig voneinander steuerbar sind,

e) daß die Einstichrichtung jedes Messerkopfes (1) frei wählbar ist,

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f) daß die Aufnahmestocke (12) während der gesamten Bearbeitungszeit das Werkstück (13.) stillstehend spannen und

g) daß vorzugsweise eine das Werkstück (13) zwischen den Messerköpfen (1) unterstützende Lünette (1^) angeordnet ist.

4. Fräsmaschine nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß für die Steuerung der Bewegung beider Messerkopfmittelpunkte eine jeweils die Kreuzschlittenantriebe (6;7) und vorzugsweise auch die Längsschlittenantriebe (10) kontrollierende numerische Steuerung vorgesehen ist.

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