DE3024433A1

DE3024433A1 - Vorrichtung zur spanabhebenden bearbeitung von nocken

Info

Publication number: DE3024433A1
Application number: DE19803024433
Authority: DE
Inventors: Roger Duvernay; Marc Tourasse
Original assignee: GENDRON SA
Current assignee: GENDRON SA
Priority date: 1979-06-29
Filing date: 1980-06-28
Publication date: 1981-01-29
Also published as: IT1131310B; FR2460182A1; GB2053752A; US4343114A; JPS569156A; IT8022731A0; GB2053752B; FR2460182B1

Description

Vorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung von Nocken

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung von Nocken, insbesondere auf Nockenwellen, die zwischen Spitzen einer Spanneinrichtung gehalten sind, welche um eine zur Drehachse des Nockens parallele Achse schwenkbar ist und koaxial zum Nocken eine für diesen als Vorbild dienende Schablone trägt, die zusammen mit dem Nocken motorisch drehbar ist und dabei mit einem ihrer Kontur folgenden Fühler zusammenwirkt.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Schleifen von Nocken und Nockenwellen auf Schleifmaschinen mit einem Schleifrad, welches nur einige Zehntel Millimeter Schleifaufmaß von den zu bearbeitenden Nocken abträgt. In diesem Fall wird die ungefähre Kontur des Nockens durch ein anderes, vorgeschaltetes Bearbeitungsverfahren, z.B. durch Drehen oder Fräsen hergestellt.

Für die vorgesehene spanabhebende Bearbeitung wird der Nocken zwischen Spitzen eingespannt, und zwar auf derselben geometrischen Achse wie die als Vorbild für die endgültige Form des Nockens dienende Schablone. Letztere stützt sich bei ihrer zusammen mit dem Nocken während der Bearbeitung ausgeführten Drehbewegung an einer frei drehbar gelagerten Rolle ab und erzeugt dadurch eine der Schablonenform entsprechende Schwenkbewegung der gesamten verschwenkbaren Einheit, zu welcher die Spanneinrichtung, der Nocken und die Schablone gehören.

Wenn die Schablone und der Nocken mit gleichförmiger Winkel geschwindigkeit rotieren, folgt aus dem sich über den Umfang ändernden Radius des Nockens eine stark schwankende Umfangsgeschwindigkeit der jeweils momentan an der Schleif-

030065/0760

G 3607 Hg / 26.6.1980

scheibe anliegenden Bearbeitungsstelle am Nocken und damit eine unterschiedliche Schnittgeschwindigkeit der Schleifscheibe. Wo die Umfangsgeschwindigkeit gering ist, wird durch die Schleifscheibe das Metall leicht und schnell abgetragen, während in anderen Bereichen, wo die Umfangsgeschwindigkeit sehr groß ist, die Schleifscheibe nicht genügend Zeit hat, um Material in ausreichender Menge abzutragen, so daß das Werkstück vor der Schleifscheibe zurückweicht. In der Tat gibt die niemals ganz steife Werkstückachse unter dem stellenweise verstärkten Andruck der Schleifscheibe nach, und dies wirkt sich als eine Deformation der bearbeiteten Kontur aus.

Indem man die Drehzahl des Werkstücks stark vergrößert, kann man den genannten Fehler mindern, nicht jedoch vollständig beseitigen. Dieses Verfahren ist langwierig, denn es bedeutet eine Verlängerung der Schleifzeit, die einen wesentlichen Kostenfaktor bei der Fabrikation von Nocken darstellt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die vorstehend geschilderten Fehler vermeidet und einen gleichmäßigen Materialabtrag über den gesamten Umfang des Nockens gewährleistet.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Winkelgeschwindigkeit des Drehantriebs des Nockens und der Schablone entsprechend der Beschleunigung der Hubbewegung eines bestimmungsgemäß vom Nocken hin- und hergehend antreibbaren Organs derart gesteuert ist, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Bearbeitungsstelle am Nocken konstant ist.

030065/0760

G 3607 / 26.6.1980

-* "*-*· IMWI ·ΙμΙ%^Ι I 1 '

. §024433

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert/ wobei Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen sind, die dem Verständnis des zu lösenden Problems dienen, Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäß ausgeführten Schleifmaschine ist, Fig. 4 diese Schleifmaschine in Seitenansicht zeigt und Fig. 5 einen Schaltplan der Steuerung der Schleifmaschine darstellt.

Bei der gezeigten Schleifmaschine - die Erfindung ist auch auf andere Maschinen anwendbar - wird der Nocken oder eine Nockenwelle mit mehreren Nocken zwischen Spitzen eingespannt und auf derselben geometrischen Achse 1 gehalten wie eine Schablone 2 (Fig. 3). Bei ständiger Anlage der Schablone an einer ortsfest, aber drehbar gelagerten Rolle 3 erzeugt die Schablone 2 während ihrer Drehung eine Schwenkbewegung der gesamten beweglichen Einheit, zu der die Schablone und das Werkstück gehören, um eine Achse 5, so daß eine Schleifscheibe 4 am Werkstück 7 eine der Schablone 2 entsprechende Form erzeugt. Die Schleifscheibe entfernt dabei das Schleifaufmaß von einigen Zehntel Millimeter vom vorgearbeiteten Werkstück.

Fig. 1 zeigt das Prinzip, von welchem bei der Erzeugung der Form des Nockens Gebrauch gemacht wird. Dabei wird davon ausgegangen, daß sich die geometrische Achse 1 von der Schleifscheibe 4 entfernt und wieder nähert, während sie mit Bezug auf die zu ihr parallele Achse 5 oszilliert. Mit 6 ist der momentane Berührungspunkt bzw. die Bearbeitungsstelle zwischen der Schleifscheibe 4 und dem Werkstück 7 bezeichnet. Um das zu lösende Problem verständlich zu machen, hat der Nocken im Beispielsfall in einem Winkelbereich 9 eine im Querschnitt kreisbogenförmige Nockenfläche 8 und im übrigen einen Abschnitt 10, dessen Form durch die gewünschte Hubbewegung des durch den Nocken zu bewegenden Teils bestimmt ist. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß der Durchmesser der Schleifscheibe unendlich ist. Die Kontur der Schleifscheibe ist deshalb in Fig. 2 durch eine Gerade 11 symbolisiert. In diesem Fall ergibt das Gesetz der zu erzeugenden Hubbewegung den Abstand 12 zwischen der Achse 1 und der Geraden 11 als Funktion der Winkelstellung des Werkstücks, die in Fig. 2 durch den griechischen Buchstaben Theta definiert ist.

030065/0760

G 3607 Hg / 28.6.1980

• τ ·

Wenn das Werkstück mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit angetrieben wird, während es in Berührung mit der Geraden 11 bleibt, kommen alle Punkte des kreisförmigen Abschnitts 8 an derselben Stelle 13 der Geraden 11 mit dieser in Berührung, wobei die Stelle 13 auf der Senkrechten auf die Gerade 11 durch die Achse 1 liegt. Die Umfangsgeschwindigkeit des kreisförmigen Abschnitts 8 an der Stelle 13 ist konstant, ebenso wie bei einem zu schleifenden zylindrischen Werkstück die Zeit dt, während der ein Oberflächenelement dx in Berührung mit der Schleifscheibe ist, gleich ist. Dies ändert sich jedoch, wenn der Abschnitt 10 an der Geraden 11 anliegt. Es läßt sich leicht zeigen, daß die Berührungsstelle 14 zwischen dem Werkstück und der Geraden 11 mit veränderlicher Geschwindigkeit längs der Kontur des Abschnitts 10 mit wechselndem Radius wandert und daß diese Geschwindigkeit in einem bestimmten Punkt von der Größe des Abstands 12 des jeweiligen Punkts abhängt, d.h. von dem durch den Nocken bei dieser Punktberührung bewirkten Hub.

Dadurch wird das Problem des Schleifens der Nocken kompliziert, denn wenn die einzelnen Oberflächenelemente dx unterschiedliche Zeiten mit der Schleifscheibe in Berührung bleiben, wird dort, wo die Umfangsgeschwindigkeit des Werkstücks gering ist, verhältnismäßig viel und dort, wo die Umfangsgeschwindigkeit hoch ist, verhältnismäßig wenig Metall abgetragen, weil der Schleifscheibe dazu weniger Zeit bleibt. An diesen Stellen weicht deshalb das Werkstück vor der Schleifscheibe zurück, indem seine niemals ganz steife Drehachse vor der Schleifscheibe nachgibt, und dies, wirkt sich als Deformation der Kontur aus.

Indem die Drehzahl des Werkstücks erhöht wird, kann der genannte Fehler vermindert, aber nicht ganz unterdrückt werden, dieses Verfahren ist jedoch langwierig und bedingt eine längere Schleifzeit, was wiederum zu einer wesentlichen Erhöhung der Herstellungskosten führt, insbesondere im Falle von Nockenwellen für Automobile, die in Großserien gefertigt werden.

G 3607 Hg / 26.6.1980 030065/0760

ORIGINAL INSPECTED

Ziel der Erfindung war deshalb die Schaffung einer kinematischen Kette, welche die Einhaltung einer konstanten Umfangsgeschwindigkeit der Bearbeitungsstelle am Nockenjgewährleisten sollte. Zu diesem Zweck muß der Motor 15, welcher das Werkstück 7 über ein Getriebe 16 (Fig. 3 und 4) antreibt, mit schwankender Drehgeschwindigkeit betrieben werden, wobei die Änderungen der Drehgeschwindigkeit bei jedem Umlauf des Werkstücks genau dieselben sein müssen, um wenigstens bei der Fertigbearbeitung des Werkstücks, wo die Schleifscheibe mit großer Genauigkeit am Profil angreift, mit konstanter Leistung einen konstanten Metallabtrag an jeder Stelle des Umfangs zu erhalten.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, gehören zu der Vorrichtung außer dem Motor 15 ein Meßwertumformer 17, ein Speicher 18, ein elektronischer Rechner 19, ein Tachogenerator 20 und eine Einrichtung 21 zur Änderung der Geschwindigkeit.

Im vorliegenden Fall ist es sehr wichtig, daß das Drehmoment des Antriebsmotors 15 und das Trägheitsmoment der durch ihn angetriebenen Gesamtheit von Teilen so aufeinander abgestimmt sind, daß sich die erforderlichen Beschleunigungen und Verzögerungen längs der Kontur des Nockens erzeugen lassen. Man verwendet vorzugsweise einen Gleichstrommotor·, der in der Lage ist, ein verhältnismäßig hohes Drehmoment zu erzeugen.

Der Speicher 18 ist vorzugsweise ein elektrischer bzw. elektronischer Speicher, in den man für jede Drehwinkelstellung des Nockens 7 die zugeordnete Drehgeschwindigkeit des Motors eingeben kann/ wozu eine vollständige Umdrehung des Nockens in N gleiche Winkelschritte unterteilt wird, denen die gespeicherten Werte für die Drehgeschwindigkeit zugeordnet sind. Die Zahl N der Winkelschritte kam beliebig groß gewählt werden, und die Geschwindigkeitswerte können durch einen Rechner aus der durch den Nocken zu erzeugenden Hub-

030065/0760

G 3607 Hg / 26.6.1980

bewegung berechnet werden, wobei man z.B. von einer bestimmten Umfangsgeschwindigkeit am kreisförmigen Abschnitt des Nockens ausgehen kann.

Der Meßwertumformer 17 ist mechanisch drehfest mit der Drehachse der Schablone 2 verbunden und arbeitet elektrisch. Er gestattet es , mit Bezug auf eine bestimmte Nullstellung, welche z.B. dem Beginn des durch den Nocken zu erzeugenden Hubs entspricht, also demjenigen Moment, wo die Hubbewegung eines Ventils oder eines anderen durch den Nocken gesteuerten mechanischen Teils beginnt, die jeweilige Lage des Nockens in Umfangsrichtung zu orten.

Der elektronische Rechner 19, der vorzugsweise außerhalb der Maschine angeordnet wird, empfängt die Signale des Meßwertumformers 17, welche die momentane Winkelstellung des Nockens 7 anzeigen. Der Rechner 19, welcher auch mit dem Speicher 18 verbunden ist, bestimmt daraufhin den zugehörigen Wert für die Drehgeschwindigkeit, welche der Nocken in dieser Winkelstellung haben sollte. Zum Rechner 19 gehört ein Gleichspannungsverstärker, der eine der Sollgeschwindigkeit proportionale Spannung erzeugt. Der Verstärker wird so gewählt, daß er eine ausreichende Leistung hat, um dem Gleichstrommotor 15 das notwendige Drehmoment und damit auch die Beschleunigung zu erteilen, mit welcher die Drehgeschwindigkeit des Nockens dem berechneten Bewegungsgesetz der Hubbewegung folgen muß.

Der auf der Achse des Motors 15 montierte Tachogenerator 20 erzeugt eine Spannung, die der Drehgeschwindigkeit des Motors proportional ist. Die Einrichtung 21 zur Veränderung der Geschwindigkeit vergleicht diese Spannung mit der vom Rechner erzeugten Spannung, die dem augenblicklichen Sollwert der Drehgeschwindigkeit des Motors entspricht. Der Unterschied zwischen den beiden Spannungen bzw. die "Spannungsabweichung" wird dann dazu benutzt , um die Stromversorgung des Motors 15 zu korrigieren und die genannte Spannungsabweichung auf Null

G 3607 Hg / 26.6.1980 030065/0760

zurückzuführen. Die Verwendung des Tachogenerators 20 gestattet .es also , die Rückkopplungsschleife des Servomechanismus, den die erfindungsgemäße Vorrichtung darstellt, zu schließen.

Wie bekannt, enthält eine Nockenwelle, z.B. für ein Kraftfahrzeug, mehrere Nocken, welche dazu bestimmt sind, verschiedene Mechanismen, wie z.B. Ventile, zu betätigen und relativ zueinander um bestimmte Winkel versetzt am Umfang der Nockenwelle angeordnet sind. Um nun die verschiedenen Nockei einer Nockenwelle nacheinander zu bearbeiten, ist der in Fig. 4 gezeigte Vorrichtungsteil jeweils nach dem Schleifen einer Nocke der Nockenwelle seitlich verschiebbar, um eine andere Nocke derselben Nockenwelle in Position vor die Schleifscheibe 4 zu bringen und den nächsten Schleifvorgang durchzuführen. Jede dieser seitlich nebeneinander angeordneten Stellungen der in Fig. 4 gezeigten Teilvorrichtung wird durch einen elektrischen Kontakt festgestellt und an den Rechner gemeldet, so daß nach dieser Identifizierung der zu schleifenden Nocke der Rechner im Zusammenwirken mit dem Meßwertumformer 17 den Anfangspunkt der zu schleifenden Nockenfläche feststellen kann.

Der Rechner hat die zusätzliche Funktion , den Winkelversatz der Anfangspunkte der verschiedenen Nocken zu kontrollieren, wozu es jedoch einer entsprechenden Eingabe dieser Werte in den Speicher bedarf.

Obgleich sich die vorstehende Beschreibung nur auf ein Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit Schleifoperationen bezieht, versteht es sich, daß die Erfindung auch bei anderen Bearbeitungsvorgängen Anwendung finden kann. Insbesondere andere spanabhende Verfahren kommen in Frage, wie z.B. das Fräsen mit einem runden Fräswerkzeug, welches so groß ist, daß die Lageänderungen des Berührungspunkts z.B. auf einer Geraden 11 (Fig. 2) Gegchwindigkeitsänderungen längs der zu erzeugenden Kontur mit sich bringen, die der gewünschten Präzision abträglich sind.

030065/0760

G 3607 Hg /26.6.1980

Die Erfindung ist weiterhin auch auf solche Arbeitsverfahren anwendbar, bei denen ein Werkzeug nur Punktkontakt in der den Nocken enthaltenen Ebene mit dem Nocken hat, wie dies z.B. beim Drehen der Fall ist.

G 3607 H₉ /26.6.1980

Leerseite

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. W . Beyer Dipl.-Wirtseh.-Ing. B. Jochem

Staufenstraße 36 6000 Frankfurt/Main

Anm. :

GENDRON S.A.
Rue Colin

Villeurbanne - Rhone
Frankreich

Patentansprüche

Vorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung von Nocken, insbesondere auf Nockenwellen, die zwischen Spitzen einer Spanneinrichtung gehalten sind, welche um eine zur Drehachse des Nockens parallele Achse schwenkbar ist und koaxial zum Nocken eine für diesen als Vorbild dienende Schablone trägt, die zusammen mit dem Nocken motorisch drehbar ist und dabei mit einem ihrer Kontur folgenden Fühler zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit des Drehantriebs (15, 16) des Nockens (7) und der Schablone (2) entsprechend der Beschleunigung der Hubbewegung eines bestimmungsgemäß vom Nocken (7) hin- und hergehend antreibbaren Organs derart gesteuert ist, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Bearbeitungsstelle (6) am Nocken (7) konstant ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein den Drehantrieb (15, 16) des Nockens (7) und der Schablone (2) steuerndes

030085/0760

G 3607 Hg / 26.6.1980 ^0RIGINAL

§024433 • «·

Sollsignal aus einem Signal eines Meßwertumformers (17) für die momentane Drehwinkelstellung des Nockens (7) und einem gespeicherten Signal entsprechend der zugeordneten momentanen Beschleunigung der Hubbewegung entwickelt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e geknnzeichnet , daß der Drehantrieb des Nockens (7) und der Schablone (2) durch ein Signal steuerbar ist, welches durch Vergleich des Sollsignals mit einem durch einen mit der Antriebswelle des Nockens

(7) und der Schablone (2) zusammenwirkenden Tachogenerator (20) erzeugten Istsignal entwickelt ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren auf einer Nockenwelle angeordneten Nocken (7) für jeden von diesen unter Berücksichtigung seiner Winkellage Signale entsprechend der Beschleunigung der durch ihn zu erzeugenden Hubbewegung gespeichert sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß als Drehantrieb des Nockens (7) und der Schablone (2) ein Gleichstrommotor (15) mit verhältnismäßig hohem Drehmoment dient.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a durch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der rotierenden Teile, zu denen der oder die Nocken (7) und die Schablone (2) gehören, ein verhältnismäßig kleines Trägheitsmoment aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprache 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bearbeitung auf einer Schleifmaschine der Fühler eine frei drehbare Rolle (3) und das spanende Werkzeug eine Schleifscheibe (4) ist.

030065/0760

G 3607 Hg / 26.6.1980 ' .·.·.- ■ .:',
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bearbeitung auf einer Drehbank der Fühler ein Finger mit Punktkontakt an der Schablone (2) und das spanende Werkzeug ein Drehstahl ist.

030065/0760

G 3607 Hg / 26.6.1980