DE3739460A1 - Nachform-drehmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nachform-Drehmaschine mit zusätzlicher Unrund-Dreheinrichtung für die Bearbeitung von zwischen Spindel- und Reitstock eingespannten Werkstücken zur Herstellung von Profilen mit unrundem Querschnitt sowie von Nocken- und Exzenterformen, insbesondere zur Herstellung ballig-ovaler Mantelformen von Kolben für Hubkolbenmaschinen.

Heute erhalten in der Regel alle Kolben, vorzugsweise diejenigen für Brennkraftmaschinen, eine formbearbeitete Lauffläche, d.h. eine ballig-ovale Mantelform, die den thermischen und/oder mechanischen Gegebenheiten im Motorbetrieb gerecht wird. Es gibt für alle Kolbengrößen und -ausführungen eine Vielzahl von ballig-ovalen Mantelformen, die grundsätzlich nach den vorhandenen Gegebenheiten im Motorbetrieb ermittelt worden sind. Ziel dabei ist immer, außer einem kleinen Laufspiel einen möglichst großen tragenden Anteil der Schaftoberfläche in der Laufbahn zu erzeugen, ohne dadurch an Freßsicherheit zu verlieren. Die ballige Form des Kolbens entsteht durch den gekrümmten Verlauf der Schaftmantellinien. Diese sogenannte Schleifkurve ist in ihrer endgültig festgelegten, charakteristischen Form am Kolbenschaftumfang nahezu gleichbleibend, ihre Neigung zur Kolbenlängsachse wechselt jedoch gemäß der dem Kolben aufgegebenen Ovalität. Die Schleifkurve selbst ist am oberen Schaftende wegen der dort noch hohen Temperatur und zur Erzeugung guter Schmierverhältnisse meist stark eingezogen und in der Mitte leicht gekrümmt ausgebildet. Am Schaftende kann sie wiederum eingezogen oder aber auch geradlinig, konisch oder kegelig auslaufen. Im Kaltzustand weist der Kolbenschaft an seinem oberen Ende eine meist größere, an seinem unteren Ende meist kleinere Ovalität auf, die beide stetig verlaufend ineinander übergehen; der Kolbenschaft besitzt eine sogenannte steigende Ovalität. Von fallender Ovalität wird gesprochen, wenn der Kolbenschaft im Kaltzustand an seinem oberen Ende eine kleinere und an seinem unteren Ende eine größere Ovalität aufweist. Die steigenden oder fallenden Ovalitäten werden auch als verlaufende Ovalitäten bezeichnet. In besonderen Fällen werden auch Kolben mit gleichbleibender Ovalität des Kolbenschafts gefertigt. Bei der normalen Ovalität, die gleichbleibend, steigend oder fallend sein kann, wird unter 45° immer die Hälfte des Gesamtwertes der Ovalität gemessen. Darüber hinaus kann die normale Ovalität negativ oder positiv korrigiert sein. Im Falle der negativen Korrektur bedeutet das, daß die normale Ovalität unter 45° eingezogen, d.h. im Durchmesser kleiner als die unter 45° gemessene normale Ovalität ist. Bei positiver Ovalitätskorrektur ist die normale Ovalität unter 45° aufgebaucht, d.h. im Durchmesser größer als die unter 45° gemessene normale Ovalität ist. Diese für den Kolbenschaft verwendeten Ovalitätsformen gelten sinngemäß auch für die Ringpartie, bei der noch hinzukommt, daß die Ovalität gleichbleibend exzentrisch oder steigend oval und steigend exzentrisch sein kann. Mit diesen Versetzungsarten können alle Ovalitätsformen kombiniert werden, auch die umgekehrte Ovalität, bei der die Ovalität der Ringpartie um 90° gegenüber der Ovalität des Kolbenschafts verdreht ist. Die kleine Halbachse der Ovalform, die keine echte Ellipse ist, hat die gleiche Richtung wie die Bolzenachse.

Die Erzeugung von Profilen mit unrundem Querschnitt, insbesondere die Erzeugung der ovalen Mantelformen an Kolben für Brennkraftmaschinen, erfolgt üblicherweise durch mechanische, hydraulische oder auch elektrische Abtastung eines analogen dreidimensionalen Formspeichers, eines sogenannten Kopiernockens, mit daraus abgeleiteter Steuerung der Zustellbewegung des Drehwerkzeugs über einen Schwinghebel. Die einem solchen Nachformsystem anhaftende Trägheit begrenzt die Drehzahl des zu bearbeitenden Werkstücks, weil sich die für moderne Brennkraftmaschinen geforderten Kolben mit vergleichsweise großen Ovalitätswerten, Aussparungen und/oder erhabenen oder zurücktretenden Partien am Kolbenschaft bei gleichzeitiger Forderung nach hoher Maßgenauigkeit und möglichst engen Toleranzen nur mit relativ niedrigen Drehzahlen, d.h. auf unwirtschaftlichem Wege erzeugen lassen. Hinzu kommt, daß die heute zur Verfügung stehenden Bearbeitungswerkzeuge Schnittgeschwindigkeiten von bis zu ≈ 1000 m/min zulassen und bis zu 50 mal höhere Standzeiten erreichen, die mit den herkömmlichen Nachformsystemen nicht voll ausgeschöpft werden können. Ferner ist für jede Kolbenform die Herstellung eines eigenen Formspeichers notwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die eingangs beschriebene Nachform-Drehmaschine so zu gestalten, daß Werkstücke, insbesondere jedoch Kolben mit ungewöhnlichen Mantelformen, wie z.B. mit Aussparungen und/oder erhabenen oder zurücktretenden Partien am ovalen Kolbenschaft, mit hoher Maßgenauigkeit und engsten Toleranzen bei hohen Drehzahlen fertig bearbeitet werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Nachform-Drehmaschine mit zusätzlicher Unrund-Dreheinrichtung aus integriertem Plan- und Längsschlitten mit CNC-Bahnsteuerung ihrer Antriebsachsen, wobei der auf dem Planschlitten senkrecht zur Drehachse des Werkstücks gerade geführte Werkzeughalter an dem dem Werkzeug abgewandten Ende über ein pleuelartiges Verbindungsglied mit einem axial- und querverschieblichen Wellenzapfen gekoppelt ist, der Wellenzapfen einen antriebsseitig gegenüber seiner Drehachse geneigten, in einer analogen Bohrung einer Abtriebswelle gerade geführten Mitnehmer-Fortsatz besitzt, die Abtriebswelle über ein Zugmittel mit der Antriebswelle eines Synchron-Schrittmotors, der mit dem Antriebsmotor für die Hauptspindel über einen an der Hauptspindel befestigten Drehimpulsgeber gekoppelt ist, verbunden ist, der Wellenzapfen an dem der Abtriebswelle abgewandten Ende auf der axialverschieblichen Mutter eines Spindel-Mutter-Triebs, der mit einem von dem mit der Hauptspindel gekoppelten Drehimpulsgeber sowie von dem Antrieb des Längsschlittens ansteuerbaren Schrittmotor verbunden ist, geführt ist und die Drehachsen von Wellenzapfen, Abtriebswelle und Spindel-Mutter-Trieb in der Grundstellung fluchten.

Durch das Ansteuern des Schrittmotors für den Spindel-Mutter-Trieb werden infolge der Drehung der Spindel die Mutter und damit auch der Wellenzapfen axial verschoben, wodurch dessen Drehachse exzentrisch zur Drehachse der Antriebswelle versetzt wird. Je nach Größe der Exzentrizität erfolgt eine entsprechende Bewegung des Werkzeughalters, die in Form z.B. einer Ovalität auf das damit überdrehte Werkstück aufgebracht wird.

Eine vorzugsweise Ausbildung der erfindungsgemäßen Nachform-Drehmaschine besteht darin, daß auf der axialverschieblichen Abtriebswelle in einer Ebene senkrecht zu deren Drehachse Gleitkörper, vorzugsweise zwei um 180° gegeneinander versetzte Zapfen, Nocken, Kugeln oder dergleichen, befestigt und durch einen konzentrischen, in der Mittelebene am Außenumfang winkelbeweglich gelagerten und mittels eines Schrittmotors gegenüber der Drehachse der Abtriebswelle neigbaren ortsfesten Lagerring geführt sind, wodurch die Abtriebswelle axial verschiebbar und damit der durch die Axial- und Querverschiebung des Wellenzapfens erzeugten exzentrischen Bewegung eine zusätzliche exzentrische Bewegung überlagert werden kann. Dadurch besteht die Möglichkeit, die normale Ovalität von Mantelformen für Kolben positiv oder negativ zu korrigieren. Die Führung eines Gleitkörpers über 180° im schrägstellbaren Lagerring bewirkt, daß während einer Umdrehung zweimal eine axiale Bewegung erfolgt und somit unter 90° am Werkstück eine eingezogene (negative) oder aufgebauchte (positive) Ovalität entsteht.

Da die Neigung des Mitnehmer-Fortsatzes des Wellenzapfens, die Steigung der Spindel des Spindel-Mutter-Triebs und das Übersetzungsverhältnis der Drehzahlen der Antriebswelle des Synchron-Schrittmotors und der damit über ein Zugmittel verbundenen Abtriebswelle in weiten Grenzen veränderbar sind, können Mantelformen unterschiedlichster Gestalt auf den zu bearbeitenden Werkstücken aufgebracht werden. Für die Herstellung ovaler Mantelformen von Kolben beträgt das Verhältnis der Drehzahlen 1 : 2, so daß die Abtriebswelle und damit der Wellenzapfen die doppelte Drehzahl wie diejenige der Hauptspindel erhält.

Im Rahmen der vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung ist die Neigung des Mitnehmer-Fortsatzes des Wellenzapfens so gewählt, daß bei einem Übersetzungsverhältnis von axialer Verschiebung zu exzentrischer Versetzung der Drehachse des Wellenzapfens zur Drehachse der Abtriebswelle von 4 : 1 bei einer Steigung der Spindel von 2 mm und einem Schritt des Schrittmotors des Spindel-Mutter-Triebs von 1000 Schritten bei einer Umdrehung, die exzentrische Verstellung der Drehachse des Wellenzapfens zur Drehachse der Abtriebswelle 0,0005 mm beträgt, d.h. am Werkstück eine Ovalität von 0,001 mm erzeugt wird.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Nachform-Dreheinrichtung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Horizontalschnitt durch die die Achsen von Werkzeughalter, Wellenzapfen, Abtriebswelle und Antriebswelle des Synchron-Schrittmotors einschließenden Ebene.

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie I-I der Fig. 1.

Bei der NachformDrehmaschine mit zusätzlicher Unrund-Dreheinrichtung ist das eine kreisförmige Schnittbewegung um die werkstückgebundene Drehachse ausführende Werkstück (1) zwischen dem mit dem Hauptantriebsmotor (2) verbundenen Spindelstock (3) und der Körnerspitze (4) des Reitstocks (5) ortsfest eingespannt. Auf dem schematisch dargestellten Bett (6) ist die aus Plan- (7) und Längsschlitten (8) aufgebaute Unrund-Dreheinrichtung geführt, deren Antriebe (9,10) eine CNC-Bahnsteuerung der Antriebsachsen aufweisen. Das Werkzeug (11) vollzieht die Vorschubbewegung in einer zur Schnittrichtung senkrechten Ebene und ist in dem in dem Gehäuse (12) gerade geführten Werkzeughalter (13) eingespannt. Der Werkzeughalter (13) besitzt an seinem dem Werkzeug (11) abgewandten Ende ein über den Bolzen (14) angelenktes pleuelartiges Verbindungsglied (15), durch das die rotierende Bewegung des in der Öffnung (16) axial- und querverschieblich gelagerten topfförmigen Wellenzapfens (17) in die oszillierende Bewegung des Werkzeughalters (13) umgewandelt wird. Der Wellenzapfen (17) weist antriebsseitig einen gegenüber seiner Drehachse geneigten Mitnehmer-Fortsatz (18) auf, der in einer analogen Bohrung (19) einer in der Ausgangsstellung mit der Drehachse des Wellenzapfens fluchtenden axialverschieblichen Abtriebswelle (20) gerade geführt ist. Die Abtriebswelle (20) ist über den auf der Scheibe (21) gelagerten Zahnriemen (22) mit der auf der Antriebswelle (23) sitzenden Scheibe (24) des Synchron-Schrittmotors (25) verbunden, der über eine Steuerung mit dem mit der Hauptspindel (3) in Verbindung stehenden Drehimpulsgeber (26) gekoppelt ist. Der Wellenzapfen (17) ist auf dem in seine topfförmige Öffnung ragenden, an der Mutter (26) einer mit dem Schrittmotor (27) verbundenen Kugelumlaufspindel (28) eines Spindel-Mutter-Triebs angebrachten zapfenförmigen, als Mitnehmer wirkenden Verbindungselement (29) gelagert. In der Grundstellung fluchten die Drehachsen von Wellenzapfen (17), Abtriebswelle (20) und Kugelumlaufspindel (28). Bei programmierter Ansteuerung des Schrittmotors (27) des Spindel-Mutter-Triebs bewirkt die Kugelumlaufspindel (28) eine Parallelverschiebung des Wellenzapfens (17), da der Mitnehmer-Fortsatz (18) eine Versetzung der Drehachse bewirkt und damit der Wellenzapfen (17) eine exzentrische Bewegung ausführt, die sich in Form einer Ovalität auf dem zu bearbeitenden Werkstück (1) niederschlägt. Je nach Aussteuerung des Schrittmotors (27) des Spindel-Mutter-Triebs können gleichbleibende, ansteigende oder fallende Ovalitäten auf dem zu bearbeitenden Werkstück (1) hergestellt werden.

Auf der über die Abtriebsscheibe (21) hinaus verlängerten Abtriebswelle (20) sind in der Ebene senkrecht zu ihrer Drehachse zwei um 180° gegeneinander versetzte kugelförmige Gleitkörper (30, 31) befestigt und in einem konzentrischen, auf einem Teil des Innenumfangs mit einer Rinne (32) versehenen ortsfesten Lagerring (33) geführt. Der Lagerring ist an seinem Außenumfang zwischen zwei Spitzen (34, 35) schwenkbar gelagert. Am Außenumfang des Lagerrings (33) befindet sich eine Nute (37), in die die am vorderen Ende des Wellenzapfens (38) des Schrittmotors (36) angebrachte Exzenterscheibe (39) formschlüssig hineinragt. Durch eine entsprechende Ansteuerung des Schrittmotors (36) wird durch die Drehung der exzentrischen Scheibe (39) der Lagerring (33) geneigt und damit die Abtriebswelle (20) axial verschoben. In der Grundstellung verläuft die Mittenachse der Exzenterscheibe (39) parallel zur Achse des Lagerrings (33), der durch Drehung des Wellenzapfens (38) schräggestellt wird. Durch die gesteuerte axiale Verschiebung der Abtriebswelle (20) und damit des Wellenzapfens (17) während einer Umdrehung lassen sich zusätzliche Formänderungen am Werkstück erzeugen. Eine Zuordnung dieser Formen zu den von der CNC-Bahnsteuerung erbrachten balligen, konischen oder zylindrischen Formen ergibt die am Kolben geforderten komplizierten Mantelformen.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäß gestalteten Nachform-Drehmaschine wird im folgenden anhand der spanenden Bearbeitung der ballig-ovalen Außenformen eines Kolbens näher und beispielhaft erläutert.

Durch entsprechende Ansteuerung der Antriebsachsen der Antriebe (9, 10) von Plan- (7) und Längsschlitten (8) wird dem zwischen dem Spindelstock (3) und der Körnerspitze (4) eingespannten Kolben (1) ein zylindrischer, konischer oder balliger Verlauf der Mantellinien des Kolbenschafts aufgegeben. Mittels des entsprechend angesteuerten Schrittmotors (27) des Spindel-Mutter-Triebs werden über die Kugelumlaufspindel (28) und die Mutter (26) der Wellenzapfen (17) und der daran befestigte Mitnehmer-Fortsatz (18) axial verschoben und dadurch der Wellenzapfen (17) exzentrisch ausgelenkt, so daß bei seiner Drehung das auf seinem Außenumfang gelagerte pleuelartige Verbindungsglied (15) eine sinusförmige Bewegung des Werkzeughalters (13) und des damit verbundenen Werkzeugs (11) hervorruft. Durch Schrittversatz des über den Drehimpulsgeber (26) synchron mit dem Antriebsmotor (2) der Hauptspindel (3) schaltbaren Synchron-Schrittmotors (25) kann während eines Arbeitsspiels die Lage der Ovalität geändert werden, indem beispielsweise die Ovalität des Ringfeldes um 90° gegenüber derjenigen des Kolbenschafts versetzt aufgebracht ist. Bei einfacher Ovalität beträgt das Übersetzungsverhältnis der Drehzahlen des Synchron-Schrittmotors (25) und des Spindelstocks (3) 2:1. Mehrfache Ovalitäten lassen sich durch ein mehrfaches Übersetzungsverhältnis problemlos erzeugen. Durch eine entsprechende Ansteuerung des Synchron-Schrittmotors (25) kann die Größe der Ovalität bei mehrfachen Ovalitäten unterschiedlich sein. Die normale Ovalität kann unter 45° eingezogen oder aufgebaucht werden, indem durch Ansteuerung des Schrittmotors (36) der mit der Abtriebswelle (20) verbundene Lagerring (33) gegenüber der Drehachse der Abtriebswelle schräggestellt wird. Die Zwangsführung der Gleitkörper (31,31) über einen Bereich von 180° des Lagerrings (33) bewirkt eine axiale Verschiebung der Abtriebswelle (20), so daß über den Mitnehmer-Fortsatz (18) der Lagerzapfen (17) exzentrisch ausgelenkt und somit über das pleuelartige Verbindungsglied (15) der sinusförmigen Bewegung des Werkzeughalters (13) eine weitere sinusförmige Bewegung überlagert wird.

Der mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Nachform-Dreheinrichtung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß auf Werkstücke ungewöhnliche Mantelformen mit vergleichsweise geringem Aufwand aufgebracht werden können.

Claims (2)

1. NachformDrehmaschine mit zusätzlicher Unrund-Dreheinrichtung für die Bearbeitung von zwischen Spindel- und Reitstock einspannbaren Werkstücken zur Herstellung von Profilen mit unrundem Querschnitt sowie von Nocken- und Exzenterformen, insbesondere zur Herstellung ballig-ovaler Mantelformen von Kolben für Hubkolbenmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß Plan- (7) und Längsschlitten (8) mit CNC-Bahnsteuerung ihrer Antriebsachsen integriert sind, der auf dem Planschlitten senkrecht zur Drehachse des Werkstücks (1) gerade geführte Werkzeughalter (13) an dem dem Werkzeug (11) abgewandten Ende über ein pleuelartiges Verbindungsglied (15) mit einem axial- und querverschieblichen Wellenzapfen (17) gekoppelt ist, der Wellenzapfen antriebsseitig einen gegenüber seiner Drehachse geneigten, in einer analogen Bohrung (19) einer Abtriebswelle (20) gerade geführten Mitnehmer-Fortsatz (18) besitzt, die Abtriebswelle über ein Zugmittel (22) mit der Antriebswelle (23) eines Synchron-Schrittmotors (25), der mit dem Antriebsmotor (2) für die Hauptspindel (3) über einen an der Hauptspindel befestigten Drehimpulsgeber (26) gekoppelt ist, verbunden ist, der Wellenzapfen an dem der Abtriebswelle abgewandten Ende auf der axialverschieblichen Mutter (26) eines Spindel-Mutter-Triebs (26, 28), der mit einem von dem an der Hauptspindel angebrachten Drehimpulsgeber sowie von dem Antrieb (10) des Längsschlittens (8) ansteuerbaren Schrittmotor (27) verbunden ist, geführt ist und die Drehachsen von Wellenzapfen, Abtriebswelle und Spindel-Mutter-Trieb in der Grundstellung fluchten.

2. Nachform-Drehmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der axialverschieblichen Abtriebswelle (20) in einer Ebene senkrecht zu deren Drehachse Gleitkörper (30, 31), vorzugsweise zwei um 180° gegeneinander versetzte Zapfen, Nocken, Kugeln oder dergleichen, befestigt sind, von denen wenigstens einer durch einen konzentrisch angeordneten, in der Mittelebene am Außenumfang winkelbeweglich gelagerten, mittels eines Schrittmotors (36) zur Drehachse neigbaren ortsfesten Lagerring (33) geführt ist.