DE3730762A1 - Verfahren und vorrichtung zum spanabhebenden verformen eines urspruenglich zylindrischen werkstueckes - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und einer Drehmaschine zur Herstellung eines Werkstückes mit zylin­ drischer Grundform, wobei beim fertigen Werkstück von der zylindrischen Grundform unter zwei Gesichtspunkten abgewi­ chen ist. Zum einen soll das fertige Werkstück im Querschnitt keine genaue Kreisform haben, es soll vielmehr einen Quer­ schnitt haben, der von der genauen Kreisform abweicht. Be­ vorzugt, aber nicht ausschließlich, soll der Querschnitt des Werkstückes die Form einer Ellipse haben. Außerdem soll die Mantelfläche des fertigen Werkstückes nicht mehr exakt zylindrisch sein. Auch von dieser Grundform soll beim ferti­ gen Werkstück abgewichen sein. Insbesondere, aber nicht aus­ schließlich, soll die Außenkontur des fertigen Werkstückes ballig in der Weise sein, daß der größte Durchmesser in der Mitte der Gesamtlänge liegt und der Durchmesser nach den beiden Werkstückenden hin gleichmäßig und zum größten Durch­ messer auch symmetrisch abnimmt. Ein typisches Bauteil mit in dieser Weise balliger Außenkontur und elliptischem Querschnitt ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine, der diese Form hat, um den unvermeidbaren Kippbewegungen des Kolbens im Zylinder Rechnung zu tragen und die Reibung zwischen Kolben und Zylinder klein zu halten.

Um die notwendigen Verstellbewegungen des Werkzeuges zu er­ möglichen, ist es bekannt, das Werkzeug auf einem Kreuz­ schlitten anzuordnen, während das Werkstück in einem um die Längsachse des Werkstückes drehenden Futter gehalten ist. Durch die Bewegung des Unterteiles des Kreuzschlittens mit dem Oberteil und dem darauf befestigten Werkzeug entlang dem Werkstück ist eine Bearbeitung des Werkstückes auf seiner gesamten Länge oder einem Teil seiner Gesamtlänge möglich. Diese Bewegung wird gemeinhin als die Verstellbewegung in z-Richtung bezeichnet. Durch die Bewegung des Oberteiles des Kreuzschlittens quer zum Werkstück wird das Eindringen des Werkzeuges in das Werkstück, also die Spantiefe, be­ stimmt. Diese Bewegung wird gemeinhin als die Verstellbe­ wegung in x-Richtung gezeichnet. x- und z-Richtung stehen senkrecht zueinander, wobei die z-Richtung parallel zur Längs- oder Drehachse des Werkstückes gerichtet ist.

Um mit diesem Arbeitsprinzip ein fertiges Werkstück herstel­ len zu können, dessen Querschnitt nicht zur Längsachse des Werkstückes symmetrisch kreisrund ist, beispielsweise ellip­ senförmig ist, sind bereits Drehmaschinen bekannt, bei denen die Längs- und Vorschubrichtung des Werkstückes mit der Drehachse des Werkstückes einen bestimmten Winkel einschlie­ ßen, während Drehachse des Werkstückes und Vorschubrichtung des Werkzeuges gleich liegen, gleichgerichtet in der z-Rich­ tung liegen. Eine solche Lösung ist beispielsweise in der DE-OS 34 45 004 der gleichen Anmelderin offenbart.

Angesichts der eingangs genannten Problematik und des Standes der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit denen auf einer Drehmaschine möglichst genau und mit hoher Arbeits­ geschwindigkeit ein fertiges Werkstück hergestellt werden kann, dessen Außenkontur von der exakten Zylinderform ab­ weicht, dessen Querschnitt keine zur Längsachse symmetrische Kreisform hat. Insbesonderes soll es schnell und genau mög­ lich sein, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit bal­ liger Oberfläche und elliptischem Querschnitt herzustellen. Wenn es mit der Erfindung insbesondere auch möglich sein soll, einen solchen Kolben zu drehen, so soll trotzdem die Erfin­ dung nicht auf die Herstellung eines solchen fertigen Werk­ stückes beschränkt sein.

Bei der Erfindung erfolgen die Bewegung in z-Richtung (Werkzeugvorschub) und die Grundbewegung in x-Richtung in konventioneller Weise mit einem Kreuzschlitten. Daß dabei mit dem Kreuzschlitten eine relativ große Masse bewegt wer­ den muß, ist ohne Nachteil, weil für diese Bewegungen ein relativ großer Zeitraum zur Verfügung steht, bzw. der rela­ tiv große Zeitbedarf für diese Bewegungen für den gesamten Arbeitsvorgang nicht sehr ins Gewicht fällt. Die Spantiefe bzw. die Stellung des Werkzeuges in x-Richtung muß für jede Umdrehung des Werkstückes nur einmal eingestellt werden, wenn eine ballige Außenkontur erzeugt werden, der Quer­ schnitt des Werkstückes aber kreisrund sein soll. Ein ähn­ lich großer Zeitaufwand für die Verstellung des Werkzeuges in x-Richtung zur Erzeugung der von der Kreisform abweichen­ den Querschnittsform würde sich dagegen auf die Gesamtar­ beitszeit in erheblichem Maße negativ auswirken. Diese im vorliegenden Zusammenhang mit x′-Bewegung bezeichnete Ver­ stellbewegung wiederholt sich nämlich während einer Umdre­ hung des Werkstückes u.U. mehrmals. Zur Erzeugung beispiels­ weise einer elliptischen Querschnittsform muß während einer Werkstücksumdrehung das Werkzeug zweimal in die Stellung des kleineren und zweimal in die Stellung des größeren Ellip­ sendurchmessers gebracht werden. Es ist deswegen von Vor­ teil, daß bei der Erfindung das Werkzeug quer zur Werkstück- Längsachse einmal mit dem Oberschlitten und einmal mit seinem Werkzeughalter gegenüber dem Oberschlitten verfahren werden kann. Für die relativ selten notwendige "Grundeinstellung" in x-Richtung wird das Werkzeug mit dem notwendigen relativ großen aber unschädlichen Zeitaufwand mittels des bewährten, betriebssicheren und allgemein üblichen Kreuzschlittenober­ teiles verfahren. Für die relativ häufig notwendige "Fein­ einstellung" zur Erzeugung der konkreten Ellipsenform - oder der entsprechenden anderen von der zur Längsachse oder symmetrischen Kreisform abweichenden Querschnittsform - sind dagegen Verstellbewegungen nur von kleinen Massen nötig, die Bewegungen x′ können rasch und häufig aufeinanderfolgend bewirkt werden.

Voraussetzung für die weitestgehende Nutzung des mit der Erfindung erzielbaren Vorteils ist eine entsprechende Steu­ erung der Maschine. Demzufolge schlägt die Erfindung in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die Werkzeug­ bewegung mittels eines Programmes gesteuert wird, in dem alle Befehle an das Werkzeug für dessen Steuerung mit dem Ziel der Herstellung einer bestimmten Werkstückkontur abrufbar gespeichert sind, wobei in dem vom Programm abhängig ar­ beitenden Rechner ein vom Werkstück kommendes Stellungs­ signal verarbeitet wird, das die Stellung des Werkstückes in Umfangs- und Längsrichtung kennzeichnet und mit dessen Hilfe das Kommandosignal aus dem Programm abgerufen wird, das die für diese Werkstückstellung gewollte Werkzeugstellung insbesondere durch Verstellen der zusätzlichen Werkzeughal­ terung herbeiführt. Diese rechnergestützte Auswertung eines Werkstückstellungssignals zum Bewirken der gewollten Werk­ zeugstellung ist so kurzfristig möglich, daß an der ermittel­ ten Werkstückstellung der für den Einsatz gewollte Betriebs­ punkt des Werkzeuges eingestellt werden kann.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung noch etwas näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 den an sich üblichen Kreuzschlitten einer Drehma­ schine, dessen quer zum Werkstück verstellbarer Oberschlitten jedoch eine erfindungsgemäße Werk­ zeughalterung trägt, die eine relativ geringe Masse hat,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 und

Fig. 3 das Funktionsschema für die erfindungsgemäße Steuerung des Kreuzschlittens mit separat ver­ stellbarem Werkzeughalter.

Auf einem Werkstückhalter 1 ist ein Kolben 2 aufgespannt, der für eine Brennkraftmaschine bestimmt ist. Der Kolben hat eine zylindrische Ausgangskontur und soll mittels eines Werkzeuges 3 derart in eine Endkontur gebracht wer­ den, daß der Querschnitt in der Ansicht auf den Kolben­ boden elliptisch ist (Fig. 2), während der Kolben in der Seitenansicht ballig ist (Fig. 1). Der Werkstückhalter 1 wird von einem Motor M 1 so angetrieben, daß sich der Kol­ ben für den Bearbeitungsvorgang um seine Längsachse mit einer vorgegebenen, relativ hohen Drehzahl dreht. Die Drehachse wird als C-Achse bezeichnet, sie ist die Längs- Drehachse der Hauptspindel der Drehmaschine, der der Werk­ stückhalter zugeordnet ist.

Gegenüber dem als hauptsächliches Beispiel für ein zu be­ arbeitendes Werkstück angenommenen Kolben für eine Brenn­ kraftmaschine ist das Werkzeug 3, ein an sich üblicher Drehstahl, in der Längsrichtung des Kolbens verstellbar, wie sie gemeinhin als z-Koordinate bezeichnet wird und in der Zeichnung gekennzeichnet ist. Des weiteren ist zur Veränderung des Durchmessers des Werkstückes das Werkzeug quer zum Werkstück bzw. zu dessen C-Achse verstellbar; die­ se Richtung wird gemeinhin als X-Koordinate bezeichnet und ist in der Zeichnung auch so gekennzeichnet.

Die Bewegung des Werkzeuges in Richtung der x-Koordinate wird nun erfindungsgemäß in zwei Bewegungskomponenten un­ terteilt. Die Bewegung entsprechend der eigentlichen x-Koordinate wird bewirkt, um das Werkzeug 3 in eine Stel­ lung gegenüber dem Werkstück 2 zu bringen, in der ohne weitere zusätzliche Maßnahmen dem Werkstück ein Quer­ schnitt gegeben würde, der kreisförmig ist und symmetrisch zur Langs- bzw. Drehachse C des Werkstückes liegt. Dieser Bewegung des Werkzeuges soll nun eine Bewegung in einer x′-Koordinate, die mit der x-Koordinate deckungsgleich, dieser aber zumindest gleichachsig ist, überlagert werden, mit der dem Werkzeug die Bewegungen vermittelt werden, die not­ wendig sind, um den von der konzentrischen Kreisform ab­ weichenden Querschnitt des Werkstückes zu erzeugen.

Um die vorgenannten Bewegungen des Werkzeuges gegenüber dem Werkstück bewirken zu können, ist ein üblicher Kreuz­ schlitten vorgesehen, dessen Unterschlitten 4 auf einem Führungsschienenpaar 5 des Maschinenbettes 6 in Richtung der z-Koordinate mit einer von einem Motor M 3 angetriebe­ nen Verstellspindel verstellbar ist, um den Vorschub des Werkzeuges 3 in Richtung der z-Koordinate zu bewirken. Auf einem Schienenpaar 7 des Unterschlittens 4, das in x-Rich­ tung verläuft, ist der Oberschlitten 8 mittels einer von einem Motor M 2 angetriebenen Spindel 13 verstellbar, um die Spantiefe beim Runddrehen zu ermöglichen. Auf dem wie der Unterschlitten 4 mit relativ großer Trägheit ver­ stellbaren Oberschlitten 8 ist ein Werkzeughalter 9 in Richtung der x′-Koordinate gegenüber dem Oberschlitten 8 verstellbar, um die Verstellbewegungen des Werkzeuges 3 zu bewirken, die notwendig sind, um den von der konzentri­ schen Kreisform abweichenden Querschnitt zu bewirken, also insbesondere einen elliptischen Querschnitt. Hierzu ist ein Verstellmotor M 4 auf dem Oberschlitten 8 gelagert, der über ein Gelenksystem 10, 11 den Werkzeughalter 9 translatorisch in Richtung der x′-Koordinate verstellt.

Um dem Kreuzschlitten 4, 8, dem Werkzeughalter 9 und dem Werkstückhalter 1 mit dem Werkstück 2 die geschilderten Bewegungen zu vermitteln, werden die einzelnen Motoren, die diese Bewegung bewirken, mit einer Steuereinrichtung ge­ mäß Fig. 3 gesteuert. Die Daten für die gewünschte Form des Werkstückes sind in einem Mikroprozessor 14 gespei­ chert. Die Koordinaten von Kreuzschlitten, Werkzeughalter und Werkstück werden von Meßkreisen erfaßt, die den Be­ wegungsachsen x, z, x′ und der Winkeldrehung des Werk­ stückes um die Achse C zugeordnet sind. Diese Daten wer­ den über Auswerteschaltungen dem Mikroprozessor zugeführt, der sie zusammen mit den eingespeicherten Formdaten zu Steuerbefehlen verarbeitet, die er über entsprechende Steuereinheiten an die Antriebsmotoren M 1- M 4 weitergibt. So dienen die Daten der "Auswertung x und z" der Steuerung der Motoren M 2 und M 3 für die beiden Bewegungsrichtungen des Kreuzschlittens, während die Daten zur Steuerung des Motors M 4 des Werkzeughalters aus der "Auswertung z und x′ und C" gewonnen werden.

Die Erfindung ist insbesondere deswegen für die Herstellung von Kolben geeignet, die für Brennkraftmaschinen bestimmt sind, weil die Abweichungen von der exakten Zylinderform in Längs- und Durchmesserrichtung sehr gering sind und die für eine rasche Arbeitsweise notwendigen, rasch auf­ einander folgenden Veränderungen der Bewegungsrichtungen extrem genau erfolgen müssen, in einem solchen Fall also Arbeitsgeschwindigkeit und Arbeitsgenauigkeit in besonde­ rem Maße an sich widersprüchliche Forderungen sind.

Die Steuereinheit St 4 verarbeitet nur die Geometriedaten X′ in Abhängigkeit von Z. Es Herden nur diese Daten mit extrem hohen Geschwindigkeiten verarbeitet, die zur Erzeugung der Normalkontur erforderlich sind. Die Steuereinheiten St 1 und St 3 sind Steuereinheiten einer bekannten 3-Achsen-CNC-Steuerung.

Claims (5)

1. Verfahren zur spanabhebenden Verformung eines ursprüng­ lich zylindrischen Werkstückes derart, daß es in der Seitenansicht eine ballige Außenkontur, in der Drauf­ sicht auf eine Stirnfläche eine von der exakten Kreis­ form abweichende Kontur, insbesondere eine elliptische Kontur aufweist, unter Verwendung eines Kreuzschlittens zum Bewegen des Werkzeuges gegenüber dem um seine Längs­ achse sich drehenden Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Werkzeuges (3) gegenüber dem um seine Längsachse (C) drehenden Werkstück (2) in der Rich­ tung quer zu dieser Längsachse (x-Koordinate) in zwei Teilbewegungen zerlegt wird, von denen die eine Teilbe­ wegung (x) mit dem mit relativ großer Masse behafteten Oberschlitten (8) des Kreuzschlittens (4, 8) bewirkt wird und so bemessen ist, daß das Werkstück einen Durch­ messer erhalten würde, wie er im Fall der Kreiskontur des Werkstückquerschnittes, ausgehend vom Ursprungs­ durchmesser, Solldurchmesser wäre, während die andere Teilbewegung (x′) mit dem gegenüber dem Oberschlitten in dessen Bewegungsrichtung (als Bewegung in Richtung der x′-Koordinate) verstellbaren Werkzeughalter (9) bewirkt wird und so bemessen ist, daß die von der runden Quer­ schnittskontur abweichende Kontur bewirkt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer Drehmaschine in an sich bekannter Weise ein Kreuzschlitten (4, 8) für den Werkzeughalter (9) und ein drehbarer Werkstückhalter (1) zugeordnet ist, wobei der 2. Unterschlitten (4) in Richtung der Werkstücklängsachse (C) motorisch verstellbar ist, während der Oberschlitten senkrecht zu dieser Achse (Bewegung in Richtung der x- Koordinate) motorisch verstellbar ist und auf dem Ober­ schlitten, diesem gegenüber in dessen Richtung motorisch verstellbar (Bewegung in Richtung der x′-Koordinate) der Werkzeughalter (9) gelagert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch je einen gesonderten Antriebsmotor (M 1- M 4) für die Erzeugung der Drehbewegung des Werkstückes (2) sowie die Verstellbewegungen von Unterschlitten (4), Oberschlitten (8) und Werkzeughalter (9).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Antriebsmotoren (M 2- M 4) für Un­ terschlitten (4), Oberschlitten (8) und Werkzeughalter (9) abhängig von der Stellung des Werkstückes in Um­ fangsrichtung erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Mikroprozessor und von diesem gesteuerte Steu­ ereinheiten zur Aufnahme eines Stellungssignales, das indikativ ist für die Stellung des Werkstückes in Um­ fangsrichtung, und dessen Umwandlung in Steuersignale für die Antriebsmotoren (M 1- M 4).