DE3700442A1 - Verfahren zum materialabtragenden bearbeiten von werkstueckrohlingen zur herstellung von spiralverdichter-schaufeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten von Werkstückrohlingen zur Herstellung von Spi­ ralverdichter-Schaufeln mit mindestens einer von einem Teller mit im wesentlichen planer Oberfläche unter 90° abstehenden, auf dem Teller entlang einer Spirale verlaufen­ den Wand.

Es ist bekannt, z.B. die Leistung von Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge bei ansonsten unveränderter Baugröße dadurch zu erhöhen, daß man sog. Turbolader verwendet, mit denen die Ansaugluft verdichtet wird. Diese Turbolader werden üblicherweise mittels einer Turbine angetrieben, die vom Abgas der Brennkraftmaschine gedreht wird.

Es ist ferner bekannt, zum Verdichten von Gasen und Flüssig­ keiten, so z.B. auch zum Verdichten der Ansaugluft von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen sog. Spiralverdichter zu verwenden, wie sie beim Einsatz in Kraftfahrzeugen auch unter der Bezeichnung "G-Lader" bekannt sind.

Derartige Spiralverdichter weisen ein raumfestes Gehäuse sowie ein darin bewegliches Verdichterteil auf. Sowohl das raumfeste Gehäuse wie auch das Verdichterteil sind mit schmalen hohen Wänden versehen, die jeweils unter 90° von einer ebenen Fläche abstehen und auf dieser Fläche entlang einer Spirale verlaufen. Das Verdichterteil wird im raum­ festen Gehäuse exzentrisch angetrieben und zwar bei Einsatz in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit unge­ fähr zwei- bis dreifacher Motordrehzahl. Durch die exzentri­ sche Bewegung des Verdichterteils wird Luft zwischen den spiralig verlaufenden Wänden verdichtet und kann beispiels­ weise im Zentrum der Spirale axial abgeführt werden.

Um eine optimale Verdichterwirkung zu erreichen, ist eine Dichtwirkung sowohl im tangentialen Berührungsbereich der spiralförmig verlaufenden Wände miteinander erforderlich wie auch im Stirnseitenbereich der Wände, die auf der ebenen Fläche des jeweils anderen Teils laufen.

Aufgrund der sehr komplizierten Formgebung der Spiralver­ dichter-Schaufeln und der sehr hohen erforderlichen Oberflä­ chengüte werden die Schaufeln üblicherweise aus Werkstück­ rohlingen oder sogar aus dem vollen Material hergestellt. Hierzu hat man sich seither üblicher materialabtragender Werkzeugmaschinen, beispielsweise Fräsmaschinen, bedient, bei denen der Werkstückrohling in waagrechter Ausrichtung auf dem Werkstücktisch befestigt war. Das bearbeitende Werkzeug, beispielsweise ein Fräskopf, wurde in einer hori­ zontalen Ebene entlang von kartesischen Koordinaten geführt, um die gewünschte Form der Wände auf dem Teller herzustel­ len.

Dieses bekannte Herstellungsverfahren hat sich jedoch in zwei Punkten als nachteilig erwiesen.

Zum einen hat es die horizontale Ausrichtung der Teller mit sich gebracht, daß sich Späne in dem spiraligen Raum zwi­ schen den Wänden angesammelt haben, was die Bearbeitung erschwert und verzögert hat.

Zum anderen hat sich gezeigt, daß die gewünschten hohen Oberflächengüten an den Wänden und an der ebenen Fläche nur mit großer Mühe erreicht werden können, weil Werkzeuge, die entlang von kartesischen Koordinaten, d.h. in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen, zugestellt werden, am Ende ihres Zustellweges auf sogenannten "Umkehrpunkten" auslaufen, in denen sich die Richtung des Weges des Werkzeu­ ges um beispielsweise 180° ändert. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß die Oberfläche im Bereich dieser Umkehrpunkte mit Stufen versehen war, so daß sich eine Oberflächengüte ergab, die sich bei den hohen Drehzahlen derartiger Spiral­ verdichter-Schaufeln zu Problemen führten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei minimaler Bearbeitungszeit eine optimale Oberflä­ chengüte entsteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Werkstückrohling in einer Koordinaten-Schleifmaschine unter senkrechter Ausrichtung der Oberfläche des Tellers einge­ spannt und mittels eines um eine horizontale Achse bei einer Drehzahl von mehr als ca. 30 000 U/min. vorzugsweise 60 000 bis 150 000 U/min umlaufenden Werkzeugs bearbeitet wird, wobei ein Steuergerät die relative Lage von Werk­ stückrohling zu dem Werkzeug entlang von Polarkoordinaten ändert. Vorzugsweise wird dabei der Werkstückrohling gedreht und das Werkzeug wird entlang von kartesischen Koordinaten senkrecht zur Drehachse bewegt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird hierdurch vollkommen gelöst, weil zum einen die Verwendung einer Schleifmaschine von Hause aus hohe Oberflächengüten gewähr­ leistet, weil bei derartigen Schleifmaschinen das Werkzeug mit einer extrem hohen Drehzahl von typischerweise weit über 30 000 U/min. umläuft, d.h. um mehrere Größenordnungen schneller als dies bei bekannten Fräsmaschinen der Fall ist.

Beim Hochgeschwindigkeitsschneiden mittels Spindel-Schleif­ maschinen können die Spindeln vorzugsweise im Bereich zwi­ schen 60 000 und 150 000 U/min umlaufen. Bei diesen Drehzah­ len ist die Schneidgeschwindigkeit des Werkzeugs größer als die Rekristallisationsrate des bearbeiteten Materials, das auf diese Weise im weichen bis flüssigen Zustand bearbeitet wird. Auf diese Weise müssen nur sehr kleine Schneidkräfte aufgebracht werden. Dies ist günstig bei langen dünnen Werkzeugen, weil bei seitlicher Bearbeitung eines Werkstücks mit Hochgeschwindigkeitsschneiden dann die Seitenkräfte sehr gering eingestellt werden können, die bei derartigen langen, schmalen Werkzeugen besonders kritisch sind. Werden nämlich die Seitenkräfte bei derartigen Werkzeugen zu hoch einge­ stellt, so werden ungerade Flächen erzeugt oder es kann sogar das Werkzeug abbrechen. Beim Hochgeschwindigkeits­ schneiden können jedoch, wie im vorliegenden Anwendungsfall, hohe und schmale Wände bearbeitet werden, weil nur extrem kleine Seitenkräfte aufgewandt werden müssen, so daß eine sehr gute Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit erreicht werden kann.

Zum anderen bewirkt die senkrechte Ausrichtung der Oberflä­ che des Tellers, daß die abgetragenen Werkzeugspäne während der Drehung des Tellers nach außen aus dem spiraligen Zwi­ schenraum zwischen den Wänden herausfallen können und nicht in diesem gesammelt werden, wie dies bei waagrechter Aus­ richtung der Oberfläche der Fall ist. Vor allem aber bewirkt die Steuerung der relativen Lage von Werkstückrohling und Werkzeug zueinander durch die Bewegungsüberlagerung entlang von Polarkoordinaten und kartesischen Koordinaten, daß die Ortskurve des Werkzeugs auf dem Werkstückrohling umkehr­ punktfrei läuft, so daß die gesamte Bearbeitung entlang einer stetigen Ortskurve erfolgen kann und sich mithin optimale Oberflächengüten ergeben.

Besonders bevorzugt ist, wenn der Werkstückrohling um eine zur Oberfläche senkrechte Achse in definierte Winkellagen drehbar und das Werkzeug entlang einer zur Oberfläche parallelen Achse in definierte Axiallagen verschiebbar ist, obwohl prinzipiell auch in kinematischer Umkehr eine entge­ gengesetzte Steuerung möglich ist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens werden mehrere Werkstückrohlinge gleich­ zeitig mit mehreren Werkzeugen bearbeitet, wobei die Werk­ stückrohlinge bzw. die Werkzeuge jeweils gemeinsam bewegt werden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß mit einer gemeinsamen Steuerung eine Vielzahl von Werkstückrohlingen gleichzeitig bearbeitet werden kann, was Produktionsvorteile erbringt.

Bei einer Variante des vorstehend genannten Ausführungsbei­ spiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens bearbeiten zwei um 180° versetzte Werkzeuge zwei um 180° versetzte zugehörige Werkstück-Rohlinge.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die beiden Werkzeuge z.B. auf einer gemeinsamen, mittig angetriebenen Welle an den Wellenenden angeordnet werden können, so daß sie von selbst gemeinsam miteinander verfahren werden. Entsprechen­ des gilt für die ebenfalls klappsymmetrisch angeordneten Werkstückrohlinge, die durch geeignete Mittel ebenfalls gemeinsam angetrieben werden können.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen und auch in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorstehenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge­ stellte Spiralverdichter-Schaufel in Seitenan­ sicht und in Draufsicht;

Fig. 2 eine stark schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens, in verkleinertem Maßstab;

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 1b, jedoch mit eingetragenen Ortskurven von Werkzeugen nach der Erfindung und nach dem Stand der Technik.

In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt eine Spiralverdichter- Schaufel, wie sie für Spiralverdichter von Brennkraftmaschi­ nen in Kraftfahrzeugen Verwendung finden kann.

An einem Befestigungsflansch 11 befindet sich ein Teller 12 mit im wesentlichen planer Oberfläche 15. Von der Oberflä­ che 15 des Tellers 12 steht unter 90° eine Wand 13 ab. Die Wand 13 verläuft, wie man deutlich in Fig. 1b erkennen kann, entlang einer Spirale, deren Zentrum eine Drehachse 16 der Spiralverdichter-Schaufel 10 ist.

Bei 14 ist gestrichelt die Kontur eines möglichen Werkstück­ rohlings angedeutet, aus dem die Spiralverdichter-Schaufel 10, wie nachstehend noch erläutert, hergestellt wird. Der Werkstückrohling 14 kann dabei Vollmaterial sein, es ist jedoch auch möglich, durch geeignete Herstellungsverfahren einen Werkstückrohling herzustellen, dessen äußere Gestalt bereits der Spiralverdichter-Schaufel 10 im wesentlichen entspricht und deren Oberfläche nur noch einer Feinbearbei­ tung bedarf.

Fig. 2 zeigt in stark schematisierter Form, daß der Werk­ stückrohling 14 für die Spiralverdichter-Schaufel 10 derart in ein Einspannfutter 20 einer schematisiert dargestellten CNC-Schleifmaschine eingespannt ist, daß die Oberfläche 15 des Tellers 12 in einer senkrechten Ebene liegt. Mittels einer ersten Antriebseinheit 21 mit horizontaler Achse 25 wird eine Dreh-Achse 22 für den Werkstückrohling 14 darge­ stellt, die in der Fachsprache als "C-Achse" bezeichnet wird.

An die erste Antriebseinheit 21 ist starr eine zweite An­ triebseinheit 23 gekoppelt, die entlang der Achse 25 eine erste Linearachse 24 realisiert, die in der Fachsprache als "Z-Achse" bezeichnet wird.

Um eine zur Achse 25 parallele Achse 29 ist ein Schleif- oder Fräswerkzeug 30 drehbar, das in Eingriff mit dem Werkstück­ rohling 14 bringbar ist. Das Werkzeug 30 wird mittels einer Spindel 31 angetrieben, die eine Turbine, einen elektromag­ netischen Antrieb o. dgl. enthalten kann.

Die Spindel 31 ist starr mit einer dritten Antriebsein­ heit 32 verbunden, die entlang einer zur Achse 25 senkrech­ ten Achse 35 verfahrbar ist und so eine zweite Linear- Achse 33 bildet die in der Fachsprache als "X-Achse" be­ zeichnet wird.

Zur Steuerung der Antriebseinheiten 21, 23 und 32 entlang der C-Drehachse 22, der Z-Linearachse 24 und der X-Linear­ achse 33 ist ein gemeinsames Steuergerät 34 vorgesehen.

Während mittels der Z-Linearachse 24 lediglich die Eindring­ tiefe des Werkzeugs 30 in den Werkstückrohling 14 einge­ stellt wird, was im vorliegenden Zusammenhang weniger von Interesse ist, dienen die C-Drehachse 22 sowie die X-Linear­ achse 33 zur Einstellung von Polarkoordinaten, entlang denen das Werkzeug 30 relativ zum Werkstückrohling 14 bewegt wird.

In Fig. 2 ist noch mit gestrichelten Linien angedeutet, daß die Antriebseinheit 32 z.B. auf einer gemeinsamen Welle mit zwei um 180° gegeneinander versetzten Spindeln 31, 31 a sowie daran angeordneten Werkzeugen 30, 30 a versehen sein kann. Diese Anordnung dient zum gleichzeitigen Bearbeiten von zwei Werkstückrohlingen 14, 14 a, die ebenfalls klappsymmetrisch zur Achse der Antriebseinheit 32 aufgespannt und ebenfalls gemeinsam bewegt werden. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 können die beiden Werkstückrohlinge 14, 14 a mit ihren Tel­ lern 12, 12 a gemeinsam langsam rotiert werden (C-Achse 22) sowie gegenläufig zugestellt werden (Z-Achse 24), während die dritte Antriebseinheit 32 ohne weitere Veränderungen ausgelenkt (X-Achse 33) werden kann.

Das gemeinsame Steuergerät 34 braucht in diesem Falle nur so modifiziert zu werden, daß die Zustellbewegung in der Z-Ach­ se 24 bei beiden Werkstückrohlingen 14, 14 a gegenläufig erfolgt, während die übrige Polarkoordinaten-Steuerung unverändert bleiben kann, weil diese sich nur auf die C-Ach­ se 22 und die X-Achse 33 bezieht.

Wie Fig. 3 zeigt, hat die Auslenkung des Werkzeugs 30 ent­ lang von Polarkoordinaten die Folge, daß mit extrem einfa­ chen Mitteln das Werkzeug 30 entlang einer Ortskurve in Gestalt einer Spiralbahn 40 geführt werden kann, die in Fig. 3 in Vergleich mit einer Umfangslinie 41 besonders deutlich erkennbar wird. Dies bedeutet, daß der gesamte spiralige Innenraum, der von der Wand 13 umschlossen wird, "in einem Zug" bearbeitet werden kann. Dies steht im Gegen­ satz zum Stand der Technik, bei dem die Bearbeitungswerkzeu­ ge bei stillstehendem Werkstück entlang von kartesischen Koordinaten bewegt wurden. Dies ist in Fig. 3 anhand einer Linearbahn 42 gezeigt, die bei 43 einen Umkehrpunkt auf­ weist, in dem das Werkzeug bei Annäherung an die Wand 13 umkehren, d.h. seine Ortskurve um 180° ablenken mußte.

Claims (4)

1. Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten von Werkstückrohlingen (14) zur Herstellung von Spiralver­ dichter-Schaufeln (10) mit mindestens einer von einem Teller (12) mit im wesentlichen planer Oberfläche (15) unter 90° abstehenden, auf dem Teller (12) entlang einer Spirale verlaufenden Wand (13), dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Werkstückrohling (14) in einer Koordinaten-Schleifmaschine (20 bis 24, 30 bis 34) unter senkrechter Ausrichtung der Oberfläche (15) des Tellers (12) eingespannt und mittels eines um eine horizontale Achse (35) bei einer Drehzahl von mehr als ca. 30 000 U/min. vorzugsweise 60 000 bis 1 50 000 U/min umlaufenden Werkzeugs (30) bearbeitet wird, wobei ein Steuergerät (34) die relative Lage von Werkstückrohling (14) zu dem Werkzeug (30) entlang von Polarkoordinaten ändert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückrohling (14) um eine zur Oberfläche (15) senkrechte Achse (25) in definierte Winkellagen dreh­ bar und das Werkzeug (30) entlang einer zur Oberfläche (15) parallelen Achse in definierte Axiallagen ver­ schiebbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß mehrere Werkstückrohlinge (14, 14 a) gleich­ zeitig mit mehreren Werkzeugen (30, 30 a) bearbeitet werden, wobei die Werkstückrohlinge (14, 14 a) bzw. die Werkzeuge (30, 30 a) jeweils gemeinsam bewegt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei um 180° versetzte Werkzeuge (30, 30 a) zwei um 180° versetzte zugehörige Werkstück-Rohlinge (14, 14 a) bearbeiten.