DE60018778T2

DE60018778T2 - Verfahren zum Schleifen eines Werkstückes

Info

Publication number: DE60018778T2
Application number: DE60018778T
Authority: DE
Inventors: Daniel Andrew Morley MAVRO-MICHAELIS
Original assignee: Unova UK Ltd
Current assignee: Cinetic Landis Ltd
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: GB2357720A; GB2357721B; EP1224059A1; GB0026257D0; US7153194B2; GB2357720B; GB0026259D0; ES2198356T3; CA2383908A1; DE60002497D1; GB2357722B; WO2001030537A1; DE60007542D1; GB2357719B; MXPA02004136A; GB0026256D0; US6682403B1; EP1224056A1; MXPA02004139A; ES2214328T3

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Schleifen von Werkstücken und Verbesserungen, die ein Verkürzen der Schleifzeit, eine verhältnismäßig gleichförmige Abnutzung der Scheibe und verbesserte Oberflächenbeschaffenheit auf den Teilen, wie zum Beispiel auf Nocken, ermöglichen. Die Erfindung findet ihre besondere Anwendung beim Schleifen von nicht zylindrischen Werkstücken, wie zum Beispiel Nocken, die in den Flanken konkave Vertiefungen aufweisen, die im typischen Fall einspringende Nocken genannt werden.
Vorgeschichte der Erfindung
Herkömmlich wird das Schleifen eines Nockenbuckels in mehrere einzelne Stufen aufgeteilt, im typischen Fall fünf Stufen. Falls damit zum Beispiel insgesamt 2 mm Material im Radius entfernt werden mußten, war die Tiefe des bei jeder Stufe zu entfernenden Materials bei den ersten beiden Stufen im typischen Fall 0,75 mm, bei der dritten Stufe 0,4 mm, bei der vierten 0,08 mm und bei der letzten Stufe 0,02 mm.
Im allgemeinen erreicht das Verfahren seinen Höhepunkt in einer letzten Drehung ohne Vorschub, so daß an seinem Ende jede in der Scheibe und dem Teil gespeicherte Last entfernt wurde und auf diesem eine annehmbare Oberfläche und Form erreicht wurden.
Manchmal wurden zusätzliche Grob- und Feinbearbeitungsstufen eingesetzt und damit die Anzahl der Stufen erhöht.
Während des Schleifens wird das Teil um eine Achse gedreht, und falls das Teil zylindrisch sein soll, wird die Schleifscheibe gegenüber der Achse für jede Stufe vorgeschoben und an einer Stelle konstant gehalten, so daß sich ein zylindrisches Teil ergibt. Das Werkstück wird über den Reitstock gedreht, und seine Drehgeschwindigkeit, die häufig Reitstockgeschwindigkeit genannt wird, kann bei zu schleifenden zylindrischen Teilen in der Größenordnung von 100 Umdrehungen pro Minute liegen. Bei einem nicht zylindrischen Teil und bei der Notwendigkeit des Vorschiebens und Zurückziehens der Scheibe während jeder Drehung des Werkstücks zum Schleifen eines nicht kreisförmigen Profils muß die Reitstockgeschwindigkeit unter der bei Schleifen von zylindrischen Teilen verwendeten Geschwindigkeit liegen. Damit sind 20 bis 60 Umdrehungen pro Minute Reitstockgeschwindigkeit beim Schleifen der nicht zylindrischen Abschnitte der Nocken typisch.
Allgemein geht man davon aus, daß jedes Herabsetzen der Reitstockgeschwindigkeit die Schleifzeit erhöht, und eine solche Erhöhung ist aus kaufmännischen Überlegungen nicht attraktiv.
Beim Schleifen von einspringenden Nocken auf diese Weise tritt diese Schwierigkeit besonders zutage. In dem einspringenden Gebiet erhöht sich die Berührungslänge zwischen der Scheibe und dem Werkstück möglicherweise um das Zehnfache, insbesondere im Fall einer Scheibe mit einem Halbmesser genau wie die oder etwas geringer als die gewünschte Konkavität gegenüber der Berührungslänge zwischen der Scheibe und dem Werkstück um die Nockennase und den Grundkreis. Ein typisches Geschwindigkeitsprofil beim Schleifen eines einspringenden Nockens mit einem flachen Einsprung beträgt 60 Umdrehungen pro Minute um die Nase des Nockens, 40 Umdrehungen pro Minute entlang der Flanken des die einspringenden Gebiete aufweisenden Nockens und 100 Umdrehungen pro Minute um den Grundkreis des Nockens. Innerhalb der dynamischen Belastbarkeit der Maschine (c & x Achsen), würde der Reitstock zwischen diesen konstanten Geschwindigkeiten beschleunigt oder verzögert werden, und im allgemeinen wurde eine konstante Beschleunigung/Verzögerung verwendet.
Für jeden vorgegebenen Motor wird die Spitzenleistung durch den Hersteller bestimmt, und dies begrenzt die Bearbeitungszeit zum Schleifen insbesondere einspringender Nocken, da es wichtig ist, den Motor nicht über seine vom Hersteller vorgegebene Spitzenleistung hinaus zu fordern.
Bis heute setzte man die Bearbeitungszeit durch Erhöhen der für jedes Werkstück verwendeten Arbeitsgeschwindigkeit herab. Dies führte zu Ratter- und Brennmarken, Beulen und Senken in der Oberfläche des Nockens. Dies ist für in modernen Hochleistungsmotoren zu verwendende Nockenwellen, bei denen Präzision und Genauigkeit zum Erreichen des vorgegebenen Verbrennungsverhaltens und Motorwirkungsgrads wesentlich ist, nicht annehmbar.
Die hier beschriebenen Neuerungen dienen einer Anzahl von verschiedenen Aufgaben.
Die erste Aufgabe liegt in einem Herabsetzen der zum Präzisionsschleifen der Teile, wie zum Beispiel Nocken, insbesondere einspringenden Nocken, erforderlichen Zeit.
Eine weitere Aufgabe liegt im Verbessern der Oberflächenbeschaffenheit solcher geschliffener Teile.
Eine weitere Aufgabe liegt im Erzielen einer annehmbaren Oberflächenbeschaffenheit bei größeren Zeiträumen zwischen den Arbeitsstufen.
Eine weitere Aufgabe liegt in der Vergleichmäßigung der Scheibenabnutzung um deren Umfang.
Eine weitere Aufgabe liegt in einem Verbessern der Zugänglichkeit des Kühlmittels zum Werkstück, insbesondere beim Schleifen von einspringenden Nocken.
Eine weitere Aufgabe liegt im Bau einer Schleifmaschine, die sich zum Grob- und Feinschleifen eines Präzisionsteils, wie einer Nockenwelle, bei der die Nockenflanken konkave Gebiete aufweisen, eignet.
Diese und weitere Aufgabe ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zum Schleifen eines Teils, wie zum Beispiel eines Nockens, eine Verminderung in der Feinschleifzeit durch Drehen des Teils um nur eine einzige Umdrehung während einer letzten Schleifstufe und Steuern der Tiefe des Schnitts und Ändern der Drehgeschwindigkeit des Teils zum Erreichen einer während dieser einzigen Umdrehung im wesentlichen konstanten spezifischen Metallentfernungsrate erreicht.
Der Vorschub des Scheibenkopfes während der letzten Schleifstufe kann zum Erzielen der Soll-Schnittiefe eingestellt werden.
Vorzugsweise wird die Tiefe des Schnitts konstant gehalten, während die Drehgeschwindigkeit des Werkstücks während der letzten Schleifstufe geändert wird zum Auffangen jeglicher nicht zylindrischer Merkmale eines Werkstücks zum Aufrechterhalten einer konstanten spezifischen Metallentfernungsrate.
Beim Schleifen eines Nockens kann die Reitstockgeschwindigkeit während der einzigen Umdrehung des Nockens während der letzten Schleifstufe zwischen 2 und 20 Umdrehungen pro Minute geändert werden, wobei die niedrigere Geschwindigkeit zum Schleifen der Flanken und die höhere Geschwindigkeit während des Schleifens der Nase und der Basis des Nockens verwendet wird.
Während der letzten Schleifstufe bei Verwendung einer Schleifmaschine mit einer erzielbaren Leistung von 17,5 kW zum Drehen der Scheibe und Verwendung einer Schleifscheibe im Durchmesserbereich von 80 bis 120 mm liegt die Schnittiefe im typischen Fall im Bereich von 0,25 bis 0,5 mm.
Der Antrieb des Reitstocks kann zum Erzeugen eines leichten Übermaßes programmiert werden, so daß die Scheibe während etwas mehr als 360° der Drehung der letzteren mit dem Werkstück in Berührung bleibt, so daß eine unerwünschte Stufe, ein Höcker oder eine Senke nicht dort bleibt, wo die Schleifscheibe das Teil zu Beginn der einzigen Umdrehung der letzten Schleifstufe zuerst erfaßt.
Während der einzigen Umdrehung des Werkstücks kann die Reitstockgeschwindigkeit weiter gesteuert werden zum Beibehalten einer im wesentlichen konstanten Leistungsanforderung an dem Scheibenspindelantrieb während der letzten Schleifstufe zum Herabsetzen von Ratter- und Schleifmarken auf der Oberfläche des Teiles.
Beim Schleifen von nichtzylindrischen Werkstücken kann die Reitstockgeschwindigkeit zum Berücksichtigen jeder Änderung in der Berührungslänge zwischen der Scheibe und dem Werkstück während dessen Drehung verändert werden, was sicherstellt, daß die Metallentfernungsrate wirklich konstant gehalten wird, so daß sämtliche Teile des Umfangs der Schleifscheibe die gleiche Arbeitsleistung vollbringen mit dem Ergebnis, daß sich diese im wesentlichen konstant abnutzt.
Die Beschleunigung und Verzögerung wie auch die Reitstockgeschwindigkeit können während der einzigen Umdrehung der letzten Schleifstufe zum Erreichen einer im wesentlichen konstanten Abnutzung der Scheibe gesteuert werden.
Falls das Schleifen am Profil des Teils mindestens ein konkaves Gebiet beläßt, wird das Schleifen vorzugsweise unter Verwendung einer einen kleinen Durchmesser aufweisenden Scheibe sowohl für das Grob- als auch für das Feinschleifen durchgeführt, so daß das Kühlmittel guten Zugang zu dem Gebiet aufweist, in dem das Schleifen während sämtlicher Stufen des Schleifvorgangs stattfindet, um damit die Gefahr von Beschädigungen der Oberfläche, die sonst bei Behinderung des Kühlmittels bei Verwendung einer größeren Scheibe auftreten könnten, herabzusetzen.
Eine Schleifmaschine mit zwei an ihr befestigten kleinen Scheiben, von denen jede mit dem Teil zwecks Schleifens in Anlage treten kann, kann verwendet werden. Eine wird für das Grob- und die andere für das Feinschleifen verwendet.
Eine für die oder jede Schleifscheibe bevorzugtes Schleifmaterial ist CBN (cubic boron nitride).
Eine für das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Schleifmaschine enthält vorzugsweise ein programmierbares, computergestütztes Steuersystem zum Generieren von Steuersignalen zum Vorschieben und Zurückziehen der Schleifscheibe und zum Steuern der Beschleunigung und Verzögerung des Reitstockantriebs und damit der augenblicklichen Drehgeschwindigkeit des Werkstücks.
Die Erfindung liegt auch in einem Computerprogramm zum Steuern eines zur vorstehend beschriebenen Schleifmaschine gehörenden Computers und liegt ebenso in einer durch ein computergestütztes Steuersystem gesteuerten Schleifmaschine bei Programmierung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Schleifverfahrens.
Im allgemeinen ist das Beibehalten einer konstanten Schnittiefe erwünscht. Zum Beibehalten einer konstanten spezifischen Metallentfernungsratenanforderung an die Spindel sieht die Erfindung vor, daß die Werkstück-Drehgeschwindigkeit während des Feinschleifens zum Auffangen nicht zylindrischer Merkmale des Werkstücks geändert werden sollte. In einem Beispiel bei Verwendung einer CBN-Scheibe mit bekanntem Durchmesser zum Schleifen einer Nockenwelle kann für den Feinschliff eine Zeit von etwa 75% der bei herkömmlicher Schleiftechnik erreichten Zeit erreicht werden, falls die Geschwindigkeit des Reitstocks während einer einzigen Drehung des Nockens beim Feinschleifen zwischen 2 und 20 Umdrehungen pro Minute geändert wird, wobei die niedrigere Geschwindigkeit zum Schleifen der Flanken und die höhere Geschwindigkeit während des Schleifens der Nase und des Grundkreises des Nockens verwendet wird.
Insbesondere und zusätzlich wurde die Schnittiefe gegenüber dem normalerweise mit der Feinschliffstufe verbundenen Wert beträchtlich erhöht, und Tiefen im Bereich von 0,25 bis 0,5 mm wurden bei einer einzigen Feinschliffstufe bei Verwendung von Schleifscheiben mit einem Durchmesser im Bereich von 80 bis 120 mm mit einer erhältlichen Schleifleistung von 17,5 kW bei Schleifen von Nocken auf einer Nockenwelle erreicht.
Das überraschende Ergebnis liegt erstens in einer überragenden Obertlächenbeschaffenheit ohne Stufen, Höcker, Beulen oder Senken, wie sie im typischen Fall auf der geschliffenen Oberfläche eines solchen Teils bei Verwendung höherer Reitstockgeschwindigkeiten und niedrigerer Metallentfernungsraten angetroffen werden trotz des verhältnismäßig großen Metallvolumens, das mit dieser einzigen Umdrehung entfernt wurde, und zweitens im Fehlen eines thermischen Schadens an der Nockenbuckeloberfläche. Herkömmliche Schleifverfahren neigten bei tiefen Schnitten zu einem Verbrennen der Nockenbuckeloberfläche.
Zum Vermeiden eines Belassens eines unerwünschten Höckers oder einer Beule an derjenigen Stelle, an der die Schleifscheibe zu Beginn der einzigen Umdrehung des Feinschliffs mit dem Teil zuerst in Anlage gerät, wird der Antrieb des Reitstocks vorzugsweise so programmiert, daß er einen geringen Überschuß generiert, so daß die Scheibe mit dem Werkstück während etwas mehr als 360° der Drehung des letzteren in Berührung bleibt. Der kleine Überschuß stellt sicher, daß jeder hohe Punkt in der gleichen Weise beseitigt wird, wie ein letzter Durchlauf zum Beseitigen sämtlicher solcher Schleifungenauigkeiten bei früheren Schleifvorgängen verwendet wurde. Der Unterschied liegt darin, daß anstelle des Drehens des Teils über eine oder mehrere Umdrehungen zum Erzielen des Endschliffs dieser auf den Teil der Oberfläche des Nockens begrenzt wird, der diese Behandlung erfordert.
Eine Feinschliffstufe zum Erzeugen einer eine hohe Präzision aufweisenden Oberfläche in einem geschliffenen Teil, wie zum Beispiel einem Nocken gemäß der vorliegenden Erfindung, schließt die Anwendung einer größeren und konstanten Kraft zwischen der Schleifscheibe und dem Teil während einer einzigen Umdrehung des Feinschliffs ein, als dies bisher als angemessen angesehen wurde.
Die erhöhte Schleifkraft wird zum Erzielen einer größeren Schnittiefe benötigt, die ihrerseits die Bearbeitungszeit herabsetzt, da nur eine einzige Umdrehung zuzüglich eines kleinen Übermaßes zum Erzielen eines fertigen Teils ohne wesentliche Endzeit benötigt wird, aber als Folge hiervon wurde gefunden, daß die erhöhte Schleifkraft zwischen der Scheibe und dem Werkstück eine glattere Feinschliffoberfläche erzeugt, als bei Verwendung der bekannten Schleifverfahren mit einer herkömmlichen Endstufe.
Bei einem Verfahren zum Steuern des Schleifens eines Teils gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere eines nichtzylindrischen Teils, wie eines einspringenden Nockens, zum Herabsetzen von Ratter- und Schleifmarken auf der feingeschliffenen Oberfläche wird eine beträchtliche Schleifkraft zwischen der Scheibe und dem Teil bis zum Ende des Schleifvorgangs einschließlich der Feinschliffstufe aufrechterhalten, um damit eine wesentliche Schnittiefe während der Feinschliffstufe zu erzielen, und eine solche Kraft und Schnittiefe wird auch beim Steuern der Geschwindigkeit des Reitstocks aufrechterhalten, um damit eine im wesentlichen konstante Leistungsanforderung am Spindelantrieb während mindestens einer einzigen Feinschliffumdrehung beizubehalten.
Zur Sicherstellen einer konstanten spezifischen Metallentfernungsrate wird die Belastung am Motor während der gesamten Drehung konstant gehalten und zu Verzögerungen führende Leistungsstöße sollten nicht auftreten. Als Ergebnis sollte sich eine gleichmäßige Scheibenabnutzung einstellen.
Durch Steuern einer Schleifmaschine in der oben genannten Weise läßt sich beim Schleifen von nicht-zylindrischen Werkstücken eine im wesentlichen konstante Scheibenabnutzung erzielen.
Insbesondere durch Steuern der Reitstockbeschleunigung, -verzögerung und -geschwindigkeit während der Drehung eines nicht-zylindrischen Werkstückes und unter Berücksichtigung der sich verändernden Berührungslänge zwischen Scheibe und Werkstück während der Drehung des letzteren kann ein weiterer Faktor in die Maschinensteuerung eingeführt werden, der sicherstellt, daß die Materialentfernungsrate im wesentlichen konstant gehalten wird, sodaß sämtliche Teile des Umfanges der Schleifscheibe die gleiche Arbeitsleistung erbringen mit dem Ergebnis einer im wesentlichen konstanten Scheibenabnutzung. Da sich die Scheibe mit einem Vielfachen der Drehgeschwindigkeit des Werkstücks dreht, wurde in der Vergangenheit nicht erkannt, daß das Steuern des Schleifvorgangs zum Erzielen einer konstanten Materialentfernung während eines Schleifvorgangs die Scheibenabnutzung vorteilhaft beeinflußt. Es wurde jedoch festgestellt, daß durch Steuern der Parameter der Schleifmaschine, die die Materialentfernungsrate bestimmen, so daß während des Schleifvorgangs an nichtzylindrischen Werkstücken eine im wesentlichen konstante Materialentfernungsrate erzielt wird, unter Berücksichtigung von unter anderem der Berührungslänge, die Abnutzung der Scheibe sich als im allgemeinen gleichförmig herausgestellt hat und deshalb die Neigung zu einer ungleichmäßigen Scheibenabnutzung geringer war, als sie in der Vergangenheit beobachtet wurde.
Dies setzt die für das Abrichten der Scheibe erforderliche Auszeit und die Häufigkeit der zum Beibehalten der gewünschten Schleifqualität notwendigen Abrichtens der Scheibe herab und verbessert damit den Wirkungsgrad des Verfahrens insgesamt.
Herkömmlich sind größere Schleifscheiben für das Grob- und kleine Schleifscheiben für das Feinschleifen verwendet worden, insbesondere wenn die große Schleifscheibe einen Halbmesser aufweist, der für das Schleifen eines konkaven Gebiets in der Flanke eines einspringenden Nockens zu groß ist. Zum Herabsetzen der Abnutzung der kleineren Scheibe durch Verwendung der großen Scheibe zum Schleifen von so viel wie möglich der Grundform des Nockens, einschließlich eines Teiles der konkaven Gebiete entlang den Flanken des Nockens, sind Vorschläge gemacht worden und zur Verwendung der kleineren Scheibe zum einfachen Entfernen des in den konkaven Gebieten verbliebenen Materials und dann zum Feinschleifen des Nockens in einer typischen „spark-out" Weise.
Es wurde festgestellt, daß die große Scheibe bei Anwendung eines solchen Verfahrens einen Teil der von ihr hergestellten konkaven Oberfläche vor dem Kühlmittel abdeckt, so daß ein Oberflächenschaden während des Grobschleifens der Konkavität bei Verwendung größerer Scheiben auftreten kann. Bei einem Versuch zum Erzielen einer hochwertigen Oberflächengüte in der Konkavität durch anschließendes Verwenden einer kleineren Scheibe hat dies zu Schwierigkeiten geführt.
Das Schleifen eines Teils mit konkaven Gebieten wird entsprechend vorzugsweise mit einer einen kleinen Durchmesser aufweisenden Scheibe bewirkt zum Herabsetzen des Erblindens der geschliffenen Fläche durch die Scheibe und zum Herabsetzen des durch Abdecken des Kühlmittels entstehenden Schadens. Zwei Scheiben mit kleinem Durchmesser, im typischen Fall mit dem gleichen Durchmesser, die eine für das Grob- und die andere für das Feinschleifen, können verwendet werden. Beide Scheiben werden vorzugsweise an der gleichen Maschine angebracht, so daß das Teil bei einer Stufe während des Schleifvorgangs von der Grobschleifscheibe und während des Feinschleifvorgangs von der anderen Schleifscheibe erfaßt wird. Alternativ können zwei ähnliche Scheiben nur zum Durchführen der Feinschleifstufe verwendet werden. In jedem Fall wird die Berührungslänge zwischen der Schleifscheibe und dem Teil herabgesetzt, insbesondere in den konkaven Gebieten der Flanken eines einspringenden Nockens, so daß Kühlmittel guten Zugang zu dem Gebiet hat, in dem das Schleifen während sämtlicher Stufen des Schleifvorgangs vor sich geht, zum Herabsetzen einer Beschädigung der Oberfläche, die sonst auftreten könnte, falls das Kühlmittel zurückgehalten würde, im Vergleich zu der Verwendung von größeren Schleifscheiben.
Bei seiner Verwendung in dieser Beschreibung bedeutet der Ausdruck „klein" bei seiner Anwendung auf den Durchmesser von Schleifscheiben 200 mm Durchmesser oder weniger, im typischen Fall 120 mm. 80-mm- und 50-mm-Scheiben sind mit gutem Erfolg verwendet worden.
Die Verwendung von CBN-Scheiben zum Schleifen von Teilen wie Nockenwellen wurde üblich, und da aus solchem Werkstoff hergestellte Scheiben verhältnismäßig hart sind, kann Scheibenrattern eine beträchtliche Schwierigkeit darstellen, und die vorliegende Erfindung setzt solches Scheibenrattern bei Verwendung von CBN-Scheiben durch Sicherstellung einer verhältnismäßig hohen Schleifkraft während des Schleifens der Teile im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren herab, bei denen verhältnismäßig geringe Schnittiefen die letzten Schleifstufen charakterisiert haben, so daß zwischen Scheibe und Teil praktisch keine Kraft auftrat, so daß jede unrunde Stelle oder Unregelmäßigkeit in der Oberfläche des Teils zu einem Springen und Rattern der Scheibe führen konnte.
Bis heute vorliegende Ergebnisse zeigen an, daß die Schnittiefe mindestens das Zweifache und im typischen Fall das Vier- bis Fünffache der bis heute für das Feinschleifen als angemessen angesehenen Werte betragen sollte, und die Kraft zwischen Scheibe und Teil sollte daher erfindungsgemäß entsprechend angehoben werden.
Bei Verwendung von zwei kleinen Scheiben in einer Zweispindelmaschine liegt eine bevorzugte Anordnung für die beiden Spindeln in ihrer Befestigung vertikal übereinander am Außenende eines Schwenkrahmens, der um eine hoirzontale Achse gegenüber einem verschiebbaren Scheibenkopf schwenkbar ist. Durch Schwenken des Arms nach oben oder unten, so daß die eine oder die andere der Spindeln mit der Werkstückachse ausgerichtet wird, und durch Vorschieben des Scheibenkopfes, an dem der Rahmen angelenkt ist, kann eine der Schleifscheiben in Richtung auf das Werkstück vorgeschoben oder von ihm zurückgezogen werden.
Der Arm kann unter Verwendung pneumatischer oder hydraulischer Antriebe oder eines Solenoid- oder Elektromotorantriebs angehoben und abgesenkt werden.
Falls eine der Scheiben für das Grob- und die andere für das Feinschleifen eingesetzt wird, wird bevorzugt, daß die Grobschleifscheibe an der oberen Spindel angebracht wird, da diese Anordnung in ihrer abgesenkten Lage zu einer steiferen Struktur führt. Die steifere Ausgestaltung widersteht den mit dem Grobschleifen verbundenen erhöhten Kräften besser.
Eine Schleifmaschine zum Durchführen dieser Verfahren verlangt ein programmierbares, computergestütztes Steuersystem zum Erzeugen von Steuersignalen zum Vorschieben und Zurückziehen der Schleifscheibe und zum Steuern der Beschleunigung und Verzögerung des Reitstockantriebs und damit seiner augenblicklichen Drehgeschwindigkeit und damit der des Werkstücks. Ein Computerprogramm zum Steuern eines Computers, der einen Teil einer solchen Schleifmaschine bildet, wird zum Durchführen jedes der hier beschriebenen Schleifverfahren benötigt.
Die Erfindung wird nun an einem Beispiel unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Dabei ist:
1 eine perspektivische Ansicht einer Zwillingsscheibenschleifmaschine und
2 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der in 1 gezeigten Maschine.
In den Zeichnungen wird das Bett der Maschine mit dem Bezugszeichen 10, die Spindelstockanordnung mit 12 und der Reitstock mit 14 bezeichnet. Der Arbeitstisch 16 weist eine Führung 18 auf, entlang der der Spindelstock 14 verschoben, positioniert und befestigt werden kann. Die Maschine ist zum Schleifen der Nocken von Nockenwellen für Verbrennungskraftmaschinen bestimmt und eignet sich insbesondere zum Schleifen von Nocken mit entlang ihren Flanken befindlichen konkaven Gebieten. Mit geringfügigen Abwandlungen kann die Maschine auch zum Schleifen von zylindrischen Teilen wie Kurbelwellen und insbesondere von Kurbelzapfen einer Kurbelwelle eingesetzt werden.
Im Gehäuse der Spindelstockanordnung 12 befindet sich ein nichtgezeigter Drehantrieb, und eine den Antrieb übertragende und die Nockenwelle haltende Vorrichtung 20 geht von der Spindelstockanordnung 12 zum Halten wie auch zum Drehen der Nockenwelle aus. Eine weitere nichtgezeigte, die Nockenwelle haltende Vorrichtung verläuft vom Reitstock 14 in Richtung auf den Spindelstock.
Zwei Schleifscheiben 22 und 24 werden an den Außenenden der beiden Spindeln gehalten. Keine von ihnen ist sichtbar, sondern sie verlaufen in einem Gußstück 26 von dessen linkem zu seinem rechten Ende, wobei die Spindeln zwecks Drehung um ihre zentralen Achsen an zwei Elektromotoren bei 28 und 30 befestigt sind. Hierdurch wird die Antrieb auf die an ihnen befestigten Scheiben 22 und 24 übertragen.
Die Breite des Gußteils 26 und damit die Länge der Spindeln ist so, daß die Motoren 28 und 30 gut auf der rechten Seite des das nichtgezeigte Werkstück und den Reitstock 14 aufnehmenden Gebiets angeordnet sind, so daß beim Vorschieben der Scheiben 22 und 24 zum Erfassen der Nocken entlang der Länge der Nockenwelle die Motoren nicht mit dem Spindelstock ins Gehege kommen.
Das Gußstück 26 ist ein integraler Teil eines größeren Gußstücks 32, oder es ist an dessen vorderem Ende befestigt. Das Gußstück 32 ist an einer Hauptlageranordnung, die gegenüber einer Betrachtung abgedeckt ist, von der aber ein Ende bei 34 zu sehen ist, gelenkig befestigt, so daß das Gußstück 32 gegenüber der Achse des Hauptlagers 34 und damit gegenüber der Platte 36 nach oben und nach unten geschwenkt werden kann. Die Platte 36 bildet die Basis der Scheibenkopfanordnung, die gegenüber der Werkstückachse entlang einer Führung, deren vorderes Ende bei 38 sichtbar ist, unter 90° verschiebbar ist. Sie umfaßt den ortsfesten Teil eines nichtgezeigten Linearmotors, der vorzugsweise hydrostatische Lager auf weist, damit die allgemein mit 40 bezeichnete massive Anordnung entlang der Führung 38 frei und mit minimaler Reibung und maximaler Steife gleiten kann.
Die Führung 38 ist an dem Hauptmaschinenrahmen 10 befestigt, wie auch die Führung 42, die unter rechten Winkeln zu dieser verläuft, entlang der der Arbeitstisch 16 gleiten kann.
Ein Antriebsmittel ist zum Verschieben des Arbeitstisches gegenüber der Gleitschiene 42 vorgesehen. In der Zeichnung ist dieser Antrieb nicht sichtbar.
Im typischen Fall sind die Schleifscheiben CBN (cubic boron nitride) -Scheiben.
Die Maschine ist zur Verwendung mit einen kleinen Durchmesser aufweisenden Schleifscheiben von 200 mm Durchmesser oder weniger bestimmt. Versuche wurden mit Verwendung von 100-mm- und 80-mm-Scheiben durchgeführt. Kleine Scheiben, wie 50-mm-Scheiben, können auch verwendet werden.
Wie sich besser aus 2 ergibt, kann Kühlmittel auf das Schleifgebiet zwischen jeder Scheibe und einem Nocken mit Hilfe von Leitungen 44 bzw. 46 gerichtet werden, die von einer nichtgezeigten Sammelleitung ausgehen. Diese wird über ein Rohr 48 aus einer nichtgezeigten Pumpe mit Kühlmittel versorgt.
In der nichtgezeigten Sammelleitung ist ein Ventilmittel vorgesehen zum Lenken des Kühlmittels entweder über die Leitung 44 zum Kühlmittelauslaß 50 oder über die Leitung 46 zum Kühlmittelauslaß 52. Der Kühlmittelauslaß wird abhängig davon, welche Scheibe zur jeweiligen Zeit eingesetzt wird, ausgewählt.
Das Ventilmittel oder die Kühlmittelversorgungspumpe oder beide werden so gesteuert, daß während einer letzten mit dem Schleifen jedes Nockens verbundenen Schleifstufe Tropfen aus entweder dem Auslaß 50 oder dem Auslaß 52 austreten.
Ein nichtgezeigter Computer ist mit der in den 1 und 2 gezeigten Maschine zusammengeschaltet, und die Signale von einem mit dem Spindelstockantrieb zusammenwirkenden nichtgezeigten Tacho aus mit den Linearbewegungen der Scheibenkopfanordnung und des Arbeitstischs zusammenwirkenden Positionssensoren ermöglichen dem Computer das Generieren der erforderlichen Steuersignale zum Steuern der Vorschubgeschwindigkeit, der Drehgeschwindigkeit des Werkstücks und der Stellung des Werktischs und, falls erwünscht, der Drehgeschwindigkeit der Schleifscheiben für die hier beschriebenen Zwecke.
Gemäß den obigen Angaben kann die in den 1 und 2 gezeigte Maschine zum Schleifen der Nocken von Nockenwellen verwendet werden und ist von besonderem Nutzen beim Schleifen von Nocken, die entlang einer oder beiden ihrer Flanken eine leicht konkave Form aufweisen. Der Krümmungsradius in solchen konkaven Gebieten liegt im typischen Fall in der Größenordnung von 50 bis 100 mm, und, wie gut bekannt, ist das Ausschleifen dieser konkaven Krümmung bei Verwendung von Scheiben mit größerem Durchmesser (im allgemeinen von mehr als 300 mm), die herkömmlich zum Schleifen von Teilen wie Nockenwellen und Kurbelwellen verwendet wurden, unmöglich. Durch Verwendung von zwei ähnlichen, einen kleinen Durchmesser aufweisenden Schleifscheiben und bei ihrer Anbringung in der Maschine nach den 1 und 2 können nicht nur konvexe Gebiete, sondern auch sämtliche konkaven Gebiete der Flanken, falls erforderlich, ohne Abnehmen des Werkstücks geschliffen werden. Weiter kann das Schleifen bei Verwendung von geeigneten Schleifscheiben (so daß Grob- und Feinschleifen mit der gleichen Scheibe durchgeführt werden kann) selbst ohne Wechsel von einer Scheibe zur anderen durchgeführt werden.

Claims

Ein Verfahren zum Schleifen eines nichtzylindrischen Bauteils mit einer an einem Scheibenkopf befestigten Schleifscheibe mit den Stufen des Drehens des Bauteils um nur eine einzige Umdrehung während einer endgültigen Schleifstufe und Steuern der Tiefe des Schnitts und Ändern der Drehgeschwindigkeit des Bauteils zum Erreichen einer während dieser einzigen Umdrehung im wesentlichen konstanten spezifischen Metallentfernungsrate.
Ein Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei der Vorschub des Scheibenkopfs während der endgültigen Schleifstufe zum Erzielen der Soll-Schnitttiefe eingestellt wird.
Ein Verfahren wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beansprucht, wobei die Schnittiefe konstant gehalten wird.
Ein Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht, wobei das Bauteil ein Nocken mit einer Nase, einer Basis und Flanken ist und der Nocken in einem Reitstock befestigt ist, wobei dessen Drehgeschwindigkeit während der einzigen Drehung des Nockens während der endgültigen Schleifstufe zwischen zwei und zwanzig Umdrehungen pro Minute geändert wird, wobei eine geringere Geschwindigkeit zum Schleifen der Flanken und eine höhere Geschwindigkeit während des Schleifens der Nase und der Basis des Nockens verwendet wird.
Ein Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, wobei während der endgültigen Schleifstufe zum Drehen der Schleifscheibe eine Leistung von 17,5 kW zur Verfügung steht, der Durchmesser der Schleifscheibe im Bereich von 80 bis 120 mm und die Tiefe des Schnitts im Bereich von 0,25 bis 0,5 mm liegt.
Ein Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 beansprucht, wobei zum Nichtbelassen einer unerwünschten Stufe, eines Höckers oder einer Mulde an der Stelle, an der die Schleifscheibe zu Beginn der einzigen Umdrehung der endgültigen Schleifstufe das Bauteil zuerst erfaßt, der Reitstockantrieb programmiert wird zum Generieren eines geringen Überlaufs, so daß die Scheibe während wenig mehr als 360° Drehung des Bauteils mit diesem in Berührung bleibt.
Ein Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei während der einzigen Umdrehung des Bauteils die Drehgeschwindigkeit des Reitstocks weiter gesteuert wird zum Beibehalten einer im wesentlichen konstanten Leistungsanforderung an dem Scheibenspindelantrieb während der endgültigen Schleifstufe zum Herabsetzen von Erschütterungen und Schleifmarken auf der Bauteilobertläche.
Ein Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht, wobei die Drehgeschwindigkeit des Reitstocks verändert wird zum Berücksichtigen jeder Änderung in der Berührungslänge zwischen der Schleifscheibe und dem Bauteil während dessen Drehung, was sicherstellt, daß die Metallentfernungsrate wirklich konstant gehalten wird, so daß sämtliche Teile des Umfangs der Schleifscheibe die gleiche Arbeitsleistung mit dem Ergebnis vollbringen, daß sich eine im wesentlichen konstante Scheibenabnutzung ergibt.
Ein Verfahren wie in Anspruch 8 beansprucht, wobei die Reitstockbeschleunigung und -verzögerung wie auch die Drehgeschwindigkeit des Reitstocks während der einzigen Umdrehung der endgültigen Schleifstufe gesteuert werden zum Erreichen einer im wesentlichen konstanten Scheibenabnutzung während des Schleifens.
Ein Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 beansprucht, bei dem das Bauteil mindestens ein konkaves Gebiet aufweist und das Schleifen unter Verwendung mindestens einer einen kleinen Durchmesser aufweisenden Schleifscheibe sowohl zum Grob- als auch zum Fertigschleifen des Bauteils durchgeführt wird, so daß ein Kühlmittel während sämtlicher Stufen des Schleifvorgangs einen guten Zugang zu dem Gebiet hat, in dem das Schleifen erfolgt zum Herabsetzen von Oberflächenbeschädigungen, die sonst bei Verwendung einer größeren Scheibe bei Verdecken des Kühlmittels auftreten könnten, auf ein Minimum.
Ein Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10 beansprucht, wobei eine Schleifmaschine verwendet wird, an der zwei einen kleinen Durchmesser aufweisende Scheiben befestigt sind, von denen jede zum Schleifen mit dem Bauteil zum Einsatz gebracht werden kann.
Ein Verfahren wie in Anspruch 11 beansprucht, wobei eine der beiden Scheiben zum Grob- und die andere zum Feinschleifen verwendet wird.
Ein Verfahren wie in irgendeinem der vorhergehenden Patentansprüche beansprucht, wobei der Schleifwerkstoff der oder jeder Schleifscheibe CBN ist.
Eine Schleifmaschine bei Programmierung zum Ausführen eines Schleifverfahrens gemäß Beanspruchung in irgendeinem der Patentansprüche 1 bis 13 und die ein auf einem programmierbaren Computer beruhendes Steuersystem aufweist zum Generieren von Steuersignalen zum Vorschieben und Zurückziehen der Schleifscheibe und Steuern der Beschleunigung und Verzögerung des Reitstockantriebs und deshalb der augenblicklichen Drehgeschwindigkeit des Bauteils.
Ein Rechnerprogramm zum Steuern eines einen Teil einer Schleifmaschine bildenden Rechners nach Beanspruchung gemäß Anspruch 14 zum Steuern des Schleifverfahrens nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13.
Eine von einem rechnergestützten Steuersystem gesteuerte Schleifmaschine bei Programmierung zum Durchführen eines Schleifverfahrens nach Beanspruchung in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13.