DE3434175C2 - - Google Patents
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- DE3434175C2 DE3434175C2 DE3434175A DE3434175A DE3434175C2 DE 3434175 C2 DE3434175 C2 DE 3434175C2 DE 3434175 A DE3434175 A DE 3434175A DE 3434175 A DE3434175 A DE 3434175A DE 3434175 C2 DE3434175 C2 DE 3434175C2
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Description
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zum Bearbeiten von
Kolbenrohlingen mit einem nichtrotierenden Werkstückhalter für
den Kolbenrohling und mit einem rotierenden, im wesentlichen
zylinderförmigen Werkzeugkopf, der am einen Ende zur Aufnahme
des Kolbenrohlings offen ist und der im Innern wenigstens ein
radial verstellbares Werkzeug trägt, das um den Kolbenrohling
herum rotiert, um diesen in einem einzigen Umlauf zu bearbeiten.
Derartige Werkzeugmaschinen haben eine Reihe von Vorteilen. So
sind sie in der Lage, Vordreh- und Nachdreharbeiten an dem Werk
stück in einem einzigen Arbeitsgang durchzuführen und so die
Produktionsrate an fertigen Werkstücken spürbar zu vergrößern.
Weil das Werkstück stationär im Werkstückhalter gehalten ist,
kann das fertige Werkstück sehr schnell entfernt und durch ein
neu zu bearbeitendes Werkstück ersetzt werden.
Eine Kolbenbearbeitungsmaschine der eingang angegebenen Art ist
aus der DE 21 49 461 B2 bekannt. Der Kolbenrohling wird dabei
mittels eines nichtrotierenden Werkstückhalters gehalten. Um
diesen Kolbenrohling bearbeiten zu können, weist die
Werkzeugmaschine einen rotierenden Werkzeugkopf auf, der im
wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist, wobei das eine Ende
zur Aufnahme des Kolbenrohlings offen ist. Im Innern dieses
Werkzeugkopfes sind spanabhebende Werkzeuge angeordnet, die
zusammen mit dem Werkzeugkopf rotieren und den Kolbenrohling zu
dessen Bearbeitung umlaufen, wobei die Bearbeitung innerhalb
eines einzigen Umlaufs erfolgt. Die Werkzeuge sind dabei radial
verstellbar, indem sie an verschwenkbaren Hebeln angeordnet
sind. Um den Kolbenrohling mit einem bestimmten Umfangsprofil
bearbeiten zu können, ist die Achse des Werkzeugkopfes gegenüber
der Achse des Kolbenrohlings verschwenkbar, wobei die
Verschwenkbewegung durch eine mechanische Kopplung während des
Umlaufs erfolgt. Für das Längsprofil ist eine sogenannte
Kopierschablone vorgesehen, die über Führungsflächen und
Führungsstifte die Werkzeuge innerhalb des Werkzeugkopfes radial
bewegt.
Bei dieser bekannten Werkzeugmaschine zum Bearbeiten von Kolben
rohlingen kann die Erzeugung eines bestimmten
Umfangsprofils jedoch nur durch eine Relativverschwenkung zwischen den
Achsen des Werkzeugkopfes einerseits und des Kolbenrohlings
andererseits erzielt werden. Dadurch können nur ovale oder
elliptische Umfangsprofile geschaffen werden. Kompliziertere
Umfangsprofile lassen sich dadurch nicht schaffen. Darüber
hinaus ist eine Veränderung des Längsprofils nur dadurch
möglich, daß die Kopierschablone durch eine andere ersetzt wird,
was nicht nur teuer sondern auch zeitaufwendig ist.
Aus der DE 24 27 826 B2 ist ferner bereits eine Einrichtung zum Unrunddrehen
durch Kopieren für numerisch gesteuerte Drehmaschinen bekannt.
Dabei ist jedoch das zu bearbeitende Werkstück drehbar gelagert,
während das Werkzeug in Form eines Meißels mit entsprechenden
Schlitten in einer Ebene derart verschiebbar ist, daß aus dem
Werkstück das entsprechende Profil herausgearbeitet wird. Die
Steuerung des Werkzeugs und dabei der Schlitten erfolgt mittels
einer elektronischen Steuereinrichtung.
Aus der DD-PS 1 04 223 ist weiterhin ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zum Drehen von Werkstücken mit balliger und/oder ovaler
Mantelfläche bekannt, wobei die Werkzeugbewegung zum Bearbeiten
der Werkstücke rechnergesteuert ist.
Aus der DE-OS 12 68 936 ist schließlich auch eine Kopiereinrichtung zum
spanabhebenden Bearbeiten von Drehkörpern bekannt, bei der ein
rotierender Kolbenrohling mittels eines Werkzeugs spanabhebend
bearbeitet wird, wobei das Werkzeug mit seinem stabförmigen
Schaft vor und zurück bewegbar ist. Zu diesem Zweck
dient eine den Stab umgebende Erregerspule, so daß mittels eines
zusätzlichen Joches eine magnetische Brücke geschaffen ist, die
bei Anlegen einer Spannung an die Erregerspule das Werkzeug
vor bzw. zurück bewegt, wobei die jeweilige Position
durch die Größe der angelegten Spannung bestimmt ist.
Ausgehend von einer Werkzeugmaschine der eingangs angegebenen
Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese
bekannte Werkzeugmaschine dahingehend weiterzuentwickeln, daß
auf technisch einfache Weise die Kolbenrohlinge mit den unter
schiedlichsten Profilen bearbeitet werden können.
Als technische Lösung wird mit der Erfindung vorge
schlagen, daß der Werkzeugkopf einen elektrischen Servomotor für
die Radialverstellung des Werkzeugs aufweist, der mittels einer
elektronischen Steuereinrichtung ansteuerbar ist.
Eine nach dieser technischen Lehre ausgebildete Werkzeugmaschine
hat den Vorteil, daß auf technisch einfache Weise die Kolben
rohlinge mit den unterschiedlichsten Profilen bearbeitet werden
können. Aufgrund der Tatsache, daß lediglich das Werkzeug radial
verstellt wird und nicht der gesamte rotierende Werkzeugkopf,
lassen sich aufgrund der geringen Massen die Verstellbewegungen
sehr schnell durchführen, so daß damit eine hohe Bearbeitungsge
nauigkeit erzielt werden kann. Vor allem aber durch den Servo
motor sowie durch die elektronische Steuereinrichtung ist es
möglich, die Werkzeuge variabel radial verstellen zu können, so
daß lediglich durch Änderung des elektronischen Steuerprogramms
ein Wechsel von einer Profilform zu einer neuen vorgenommen
werden kann, ohne daß beispielsweise mechanische Teile dafür
ausgewechselt werden müssen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran
sprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine
zum Bearbeiten von Kolbenrohlingen wird nachfolgend anhand der
Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Werkzeugmaschine;
Fig. 2 einen alternativ
ausgebildeten Werkzeugkopf für die Werkzeugmaschine in Fig. 1 in einer
Querschnittsdarstellung.
Die dargestellte Werkzeugmaschine ist für die Bearbeitung von
Kolbenrohlingen 22 gedacht, welche einen nicht gleichförmigen
Querschnitt mit nicht gleichförmigen Oberflächeneigenschaften
erhalten sollen, um so die Arbeitsleistung von Verbrennungs
motoren zu verbessern, in die derart bearbeitete Kolben
eingebaut sind.
Die Werkzeugmaschine in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist
einen Werkzeugknopf 10 von im wesentlichen zylindrischer Gestalt
auf. Dieser ist an seinem einen Ende offen. Im Innern ist der
Werkzeugkopf 10 mit zwei Werkzeugen 11, 12 in Form von
Drehstählen ausgestattet. Diese sind in der Innenmantelfläche
des Werkzeugkopfes 10 gehalten. Die Werkzeuge 11, 12 sind dabei
derart angeordnet, daß das Werkzeug 11 dem offenen Ende des
Werkzeugkopfes 10 am nächsten angeordnet ist und als Vordreh
werkzeug dient. Das andere, hintere Werkzeug 12 ist dann das
Fertigdrehwerkzeug, so daß insgesamt die beiden Werkzeuge 11, 12
das Werkstück nacheinander in einem einzigen Arbeitsgang be
arbeiten. Statt dessen kann bzw. können auch nur ein einziges Werkzeug oder
aber auch drei oder mehr Werkzeuge vorgesehen sein. Im Falle
zweier oder mehrerer Werkzeuge kann das Nacheinanderbearbeiten
bevorzugt durch umfangsmäßiges Beabstanden der Werkzeuge zusätz
lich oder alternativ zum axialen Beabstanden der Werkzeuge er
folgen.
Die beiden Werkzeuge 11, 12 sind derart in den Werkzeugkopf 10
eingesetzt, daß sie in radialer Richtung bewegbar sind. Zu
diesem Zweck wirkt eine drehbare, stabförmige Traverse 13 auf
die äußeren Enden der Werkzeuge 11, 12. Die Traverse 13 ist dabei
mit einer sie anhebenden Stellschraube, insbesondere
Gewindespindel 14, eines Betätigungsorgans in Form eines Servo
motors 15 wirkverbunden, dessen Steuerung nachfolgend noch näher
beschrieben werden wird.
Der Werkzeugkopf 10 ist an einer rotierbaren Spindel 16
angeordnet, welche mit einer Abtriebsspindel 18 eines
Antriebsmotors 19 über einen zur Rotationsachse des Werkzeug
kopfes 10 angeordneten Zapfen 17 verbunden ist. Um den Werkzeug
kopf 10 um den Zapfen 17 schwenken zu können, ist eine Betäti
gungseinrichtung 32 vorgesehen. Der Werkzeugkopf 10 sowie der
Antriebsmotor 19 sind ihrerseits auf einem Vorschubschlitten 20
angeordnet und mittels eines Motors 21 in Richtung parallel zur
Rotationsachse des Werkzeugkopfes 10 bewegbar, um die Werkzeuge
11, 12 in einem Arbeitsgang mit vorgegebenem Wert nach vorne zu
verschieben.
Ein das Werkstück bildender Kolbenrohling 22 ist in einem Werk
stückhalter 23 gehalten, welcher über einen Zapfen 24 mit einem
Einspannkopf 25 verbunden ist. Der Zapfen 24 erlaubt dabei eine
Schwenkbewegung zwischen dem Werkstückhalter 23 und dem
Einspannkopf 25 um eine senkrecht zur Rotationsachse des
Werkzeugkopfes 10 verlaufende Achse. Für die Schwenkbewegung
dient eine Betätigungseinrichtung 33. Der Einspannkopf 25 ist
auf einem Schlitten 26 angeordnet und parallel zur Rotations
achse des Werkzeugkopfes 10 mittels eines Motors 27 verschieb
bar, um so den Kolbenrohling 22 in eine Ausgangsposition für den
Bearbeitungsanfang zu bringen.
Die Werkzeugmaschine wird von einem rechnergestützten System
gesteuert. Dieses System weist einen Rechner 28 auf. Dieser wird
mit digitalisierten Eingangsprofildaten gefüttert, welche den
geforderten Radius des Kolbenrohlings 22 in Winkelintervallen um
den Umfang des Kolbenrohlings 22 herum sowie an einer Mehrzahl
von axialen Orten entlang des Kolbenrohlings 22 definieren, um
so die geforderte Außenkontur des Kolbenrohlings 22 vorzugeben.
In der Praxis wird dabei der geforderte Radius allgemein als Ab
nahme von einem Ausgangsradius in Intervallen von beispielsweise
5° um den Kolbenrohling 22 herum in jeder axialen Position des
Kolbenrohlings 22 festgelegt, für welche eine solche Datenfolge
in Abständen von beispielsweise 0,1 oder 1 mm vorgegeben ist.
Sofern der Kolbenrohling 22 bezüglich einer die Werkzeugachse
einschließenden Ebene oder zweier solcher rechtwinklig zuein
ander angeordneten Ebenen symmetrisch ist, werden die Abnahmen
vom Ausgangsradius nur alle 180° oder 90° benötigt. Der Rechner
28 erzeugt dabei aus diesen digitalisierten Daten Signale, die
die vorgegebenen Relativpositionen der Werkzeuge 11, 12 sowie des
Kolbenrohlings 22 zu jedem Zeitpunkt repräsentieren. Diese
Signale werden im Rechner 28 gespeichert und auf den Empfang von
digitalisierten Positionssignalen eines Winkelgebers 29 sowie
eines Vorschubgebers 35 hin ausgegeben.
Das Ausgangssignal des Rechners 28 ist eine Folge von digita
lisierten Signalen, die die augenblicklich erforderliche Werk
zeugposition zum Erreichen der vorgegebenen Kolbenrohlingkontur
repräsentieren. Die Ausgangssignale werden dabei von einem
Steuersystem 31 empfangen, welches ein Steuersignal erzeugt, das
dem Servomotor 15 mittels auf der Antriebsspindel 18 des
Antriebsmotors 19 angeordneter Schleifringe 30 zugeführt wird.
Der Servomotor 15 bewegt dabei die Gewindespindel 14 in Ab
hängigkeit von diesen Signalen derart, daß die stabförmige
Traverse 13 die erforderlichen Bewegungen der Werkzeuge 11, 12
bewirkt. Zusätzlich oder alternativ kann das Steuersystem 31 den
Betätigungseinrichtungen 32, 33 Signale zum Schwenken der Spindel
16 sowie zum Schwenken des Werkstückhalters 23 um ihre
jeweiligen Drehachsen der Zapfen 17, 24 aufgeben. Der Schwenk
winkel und die Schwenkdauer sind dabei so gewählt, daß die vor
gegebene Werkstückkontur erhalten wird. Im allgemeinen wird die
Spindel 16 geschwenkt, wenn größer dimensionierte Veränderungen
in der Kontur des Kolbenrohlings 22 vorzunehmen sind. Die
Werkzeuge 11, 12 werden hingegen dann betätigt, um kleiner
dimensionierte Änderungen in der Kontur des Kolbenrohlings 22
vorzunehmen. Beispielsweise können die Betätigungseinrichtungen
32, 33 verwendet werden, um auf dem Kolbenrohling 22 geforderte
Veränderungen in der Ovalität entlang des Kolbens oder eine
geforderte Verjüngung oder Wölbung zu erzeugen.
Vorzugsweise wird der Werkzeugkopf 10 mit fünfzig Umdrehungen
oder mehr pro Sekunde gedreht. Bei dieser Geschwindigkeit müssen
die Relativpositionen der Werkzeuge 11, 12 und des Kolbenrohlings
22 innerhalb von Microsekunden geändert werden, um die
geforderte Kolbenrohlingkontur zu erhalten. Aus diesem Grunde
ist es wichtig, daß die Werkzeuge 11, 12 kleine Massen besitzen
und der Servomotor 15 in der Lage ist, sehr schnell auf die
Steuersignale zu reagieren. Wenn der Werkzeugkopf 10 geschwenkt
wird, ist es ebenso von Vorteil, daß der Werkzeugkopf 10 eine
minimale Massenträgheit besitzt. Dies gilt auch für den Werk
stückhalter 23, wenn der Kolbenrohling 22 und der Werkstück
halter 23 um die Drehachse des Zapfens 24 verschwenkt werden.
Die Umsetzung der Steuersignale in
Werkzeugbewegungen kann auf einer Reihe alternativer Wege durch ein
beliebig gebildetes Übertragungssystem erreicht werden, welches
ein elektrisches Signal in eine mechanische Bewegung umwandelt.
So können beispielsweise piezoelektrische oder magnetostriktive
Effekte benutzt werden oder aber auch elektromagnetische
Effekte, wie beispielsweise bei Linearmotoren und Magnetspulen,
welche den Werkstückhalter 23 als bewegbare Armatur besitzen.
Ein alternativer Werkzeugkopf 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Bei
dieser Ausführungsform ist der Werkzeugkopf 10 mit drei
Werkzeugen 32′, 33′, 34 versehen, die um den Werkzeugkopf 10 herum
winkelbeabstandet sind. Die Werkzeuge 32′, 33′, 34 sind zur Be
wegung in radialer Richtung in Abhängigkeit von den Steuer
signalen angeordnet. Diese Bewegung kann durch jede geeignete
Betätigungseinrichtung erzeugt werden, wie beispielsweise durch
Magnetspulen oder Linearmotoren. Bei diesen Betätigungsein
richtungen bilden die Werkzeughalter entsprechend bewegbare
Armaturen.
Die Steuersignale können dem Werkzeugkopf 10 auch in anderer
Weise als über die Schleifringe 30 zugeführt werden. So kann die
Zuführung beispielsweise mittels Radiowellen oder Ultraschall
wellen oder aber auch durch Lichtsignale erfolgen. Im Falle der
Lichtsignale können diese dem Werkzeugkopf 10 beispielsweise
durch ein faseroptisches System zugeführt werden. Alternativ
kann auch zumindest ein Teil des rechnergesteuerten Steuer
systems auf dem Werkzeugkopf 10 vorgesehen sein, so daß dieses
zusammen mit dem Werkzeugkopf 10 rotiert. Selbstverständlich ist
es nicht erforderlich, das gesamte rechnergesteuerte Steuer
system auf diese Weise unterzubringen. Vielmehr kann auch
lediglich nur ein Speicher zur Speicherung später gewünschter
Werkzeugpositionen und zur Ausgabe eines Steuersignales in
Übereinstimmung mit den gespeicherten Signalen auf dem Werkzeug
kopf 10 vorgesehen sein.
Unter bestimmten Umständen kann es auch ausreichen, lediglich
das Schwenken des Kolbenrohlings 22 oder das Schwenken des Werk
zeugkopfes 10 oder die radiale Bewegung der Werkzeuge 11, 12 zu
steuern, um die gewünschte Kontur zu erzielen.
Claims (7)
1. Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung von Kolbenrohlingen (22)
mit einem nichtrotierenden Werkstückhalter (23) für den
Kolbenrohling (22) und
mit einem rotierenden, im wesentlichen zylinderförmigen Werk zeugkopf (10), der am einen Ende zur Aufnahme des Kolbenroh lings (22) offen ist und der im Innern wenigstens ein radial verstellbares Werkzeug (11; 12 bzw. 32′; 33′; 34) trägt, das um den Kolbenrohling (22) herum rotiert, um diesen in einem einzigen Umlauf zu bearbeiten,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkzeugkopf (10) einen elektrischen Servomotor (15) für die Radialverstellung des Werkzeugs (11; 12 bzw. 32′; 33′; 34) aufweist, der mittels einer elektronischen Steuereinrichtung ansteuerbar ist.
mit einem rotierenden, im wesentlichen zylinderförmigen Werk zeugkopf (10), der am einen Ende zur Aufnahme des Kolbenroh lings (22) offen ist und der im Innern wenigstens ein radial verstellbares Werkzeug (11; 12 bzw. 32′; 33′; 34) trägt, das um den Kolbenrohling (22) herum rotiert, um diesen in einem einzigen Umlauf zu bearbeiten,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkzeugkopf (10) einen elektrischen Servomotor (15) für die Radialverstellung des Werkzeugs (11; 12 bzw. 32′; 33′; 34) aufweist, der mittels einer elektronischen Steuereinrichtung ansteuerbar ist.
2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Servomotor (15) die Steuersignale über Schleifringe (30)
erhält, die zwischen einem stationären Teil der Werkzeug
maschine und dem Werkzeugkopf (10) angeordnet sind.
3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verstellen des Werkzeugs (11; 12) mittels
einer vom Servomotor (15) angetriebenen Gewindespindel (14)
erfolgt.
4. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von zwei mit axialem
Abstand angeordneten Werkzeugen (11; 12) diese gemeinsam
mittels einer schwenkbaren Traverse (13) verstellt werden, an
der der Servomotor (15) angreift.
5. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Servomotor (15) ein Elektromagnet
ist, dessen Anker das Werkzeug (32′; 33′; 34) trägt.
6. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Servomotor (15) ein piezoelektrischer
Wandler ist.
7. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Servomotor (15) ein magnetostriktiv
arbeitender Motor ist.
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