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Vorrichtung zum Feinstfräsen und Schleifen von Ventilsitzflächen,
insbesondere für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Feinstfräsen und Schleifen von Ventilsitzflächen, insbesondere für Brennkraftmaschinen.
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Es bereitete stets Schwierigkeiten, Ventilsitze von Brennkraftmaschinen
oder ähnliche verhältnismäßig unzugängliche und verhältnismäßig kleinen Durchmesser
besitzende Drehflächen mit der den heutigen Anforderungen entsprechenden Genauigkeit
zu bearbeiten. Beispielsweise ergibt die Verwendung von Schleifscheiben, deren Profil
entsprechend dem zu bearbeitenden Ventilsitz angepaßt ist und welche gleichzeitig
die gesamte Sitzfläche bearbeiten, unbefriedigende Ergebnisse, da durch absplitternde
Schmirgelkörner oder sonstige kleine Fremdkörper, die zwischen Scheibe und Werkstück
geraten, leicht Riefen entstehen und der Anpreßdruck der Scheibe verhältnismäßig
hoch sein muß, damit ein für die gleichmäßige Bearbeitung ausreichender spezifischer
Flächendruck entsteht; in diesem-Falle ist jedoch eine unzulässige Erwärmung zu
befürchten.
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Es sind auch schon Vorschläge gemacht worden,
die
Ventilsitze durch dem Ventilkegel entsprechend geneigte Schleifscheiben zu bearbeiten.
Diese Vorrichtungen sind jedoch kompliziert und teuer.
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Es sind bereits Vorrichtungen zum Fräsen oder Schleifen von Ventilsitzflächen
mit zentrisch zum Ventilsitz angeordneter Antriebswelle und exzentrisch zu ihr angeordneter
Fräs- oder Schleifscheibe bekanntgeworden, die neben der Umlaufbewegung um ihre
eigene Achse eine langsamere Umlaufbewegung um .die Achse der Antriebswelle und
des Ventilsitzes auszuführen imstande ist. Derartige Vorrichtungen eignen sich aber
zum Feinstfräsen und Schleifen der Ventilsitzflächen, insbesondere von Brennkraftmaschinen,
in keiner Weise. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Bearbeitung von Ventilsitzflächen
für Brennkraftmaschinen sind besonders groß. Die Forderung der Dichtheit hat je
nach dem Medium, gegenüber dem die Sitzfläche eines Ventils abzudichten hat, verschiedene
Bedeutung. Gegen Wasser abzudichten ist verhältnismäßig leicht, wenn man die dabei
entstehenden Schwierigkeiten mit denen vergleicht, die beim Abdichten von Leichtkraftstoff,
insbesondere also Benzin, auftreten. Eine Sitzfläche, die gegenüber Wasser abdichtet,
ist noch lange -nicht zum Abdichten gegenüber :Benzin geeignet. Hinzu kommt, daß
die Ventile für Brennkraftmaschinen auch hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Diesen
hohen Anforderungen an die Dichtheit der Sitzfläche von Ventilen für Brennkraftmaschinen
entsprechen ebenso hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Bearbeitung dieser
Ventilsitzflächen.
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Bei den bekannten Maschinen mit zentrisch zuni Ventilsitz angeordneter
Antriebswelle und exzentrisch zu ihr angeordneter Fräs- oder Schleifscheibe ist
aber ein Getriebe und insbesondere ein Zahnradgetriebe ähnlich einem Planetenrädergetriebe
zwischen der Antriebswelle und der Welle der Fräs- oder Schleifscheibe vorgesehen.
Eine derartige Konstruktion mit Hilfe eines zwischengeschalteten Zahnradlaufrädergetriebes
mag , bei verhältnismäßig langsam umlaufenden Grobfräsvorrichtungen praktisch ausführbar
sein, zum Schleifen oder Feinstfräsen von Ventilsitzflächen ist aber eine derartige
Konstruktion nicht ausführbar. Dies ist darauf zurückzuführen, daß beim Schleifen
und Feinstfräsen außerordentlich hohe Umlaufgeschwindigkeiten auftreten, die ro
ooo bis 1.5 ooo Umdrehungen pro Minute und höher liegen können. Falls nun ein Zahnradumlaufrädergetriebe
zwischen der Welle der Feinstfräs- oder Schleifscheibe und der Antriebswelle angeordnet
ist, läuft die Feinstfräs- oder Schleifscheibe mit einer entsprechend hohen Geschwindigkeit
um die Achse der Antriebswelle um, was zu einer nicht einwandfreien Bearbeitung
der Ventildichtfläche führt. Bei Anordnung - eines derartigen Getriebes kann eine
wellenförmige Ausbildung des Schleifbildes, eine Verwammerung, nicht vermieden werden.
Dies ist dadurch bedingt, daß die einseitige Führung; wie sie nun einmal beim Feinstfräsen
und iSchleifen von Ventilsitzflächen vorhanden ist; keinesfalls Schwingungserscheinungen
unterbinden kann, falls die große Masse des notwendigerweise exzentrisch angeordneten
Getriebes mit hoher Geschwindigkeit umläuft.
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Ein weiterer Mangel der bekannten Vorrichtungen.besteht darin, daß
das umlaufende Getriebe einen großen Platz in Anspruch nimmt, so daß derartige Vorrichtungen
schon allein mit Rücksicht auf ihren großen Platzbedarf häufig bei der Bearbeitung
von Ventilsitzflächen für Brennkraftmaschinen nicht benutzt werden können.
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Gemäß der Erfindung wird die Verbindung zwischen der Antriebswelle
und der Feinstfräs-oder Schleifscheibe ausschließlich durch eine Klauenkupplung
unter Weglassung eines Getriebes hergestellt. Auf diese Weise sind die beschriebenen
Nachteile völlig vermieden. Die Geschwindigkeit, mit der die Feinstfräs- oder Schleifscheibe
um die Achse der Antriebswelle herumgedreht wird, ist völlig unabhängig von der
Drehgeschwindigkeit der Feinstfräs- oder Schleifscheibe. Die Unabhängigkeit der
beiden Bewegungen voneinander geht so weit, daß bei Umlauf der Feinstfräs- oder
Schleifscheibe um ihre eigene Achse eine Umlaufbewegung dieser Scheibe um die Achse
der Antriebswelle überhaupt nicht stattzufinden braucht. Diese Umlaufbewegung kann
von Hand oder maschinell beliebig langsam vorgenommen werden.
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Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß
auch Ventilsitzflächen mit besonders kleinem Durchmesser, wie sie bei Brennkraftmaschinen
sehr häufig vorkommen, maschinell einwandfrei durchFeinstfräsen oder Schleifen fertig
bearbeitet werden können. In einer einzigen einseitigen Führung, für die zweckmäßigerweise
die an sich vorhandene Ventilkörperführung benutzt wird, können erfindungsgemäß
einwandfrei sowohl die Antriebswelle als auch die exzentrisch zum Ventilsitz angeordnete
Welle benutzt werden, die als Träger für die Feinstfräs- oder -Schleifscheibe dient.
Vorteilhaft wirkt sich weiter aus, daß auf diese Weise eine Feinstfräs- oder Schleifscheibe
von sehr großem Durchmesser benutzt werden kann, der nur wenig kleiner - als die
zu bearbeitende Ventilsitzfläche zu sein braucht, so däß sich ein sehr großer Berührungskreis
ergibt und damit im Zusammenhang nicht verwammerte Sitzflächen. Dadurch, daß die
Schleifscheibe einen verhältnismäßig großen Durchmesser hat, ist außerdem die Möglichkeit
vorhanden, der Schleifscheibe eine geringere Drehgeschwindigkeit zu geben, als eine
Schleifscheibe haben müßte, die über ein Umlaufrädergetriebe von der Antriebswelle
aus angetrieben wird.
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Vorzugsweise besteht gemäß der Erfindung die Klauen- oder Stiftkupplung
aus zwei mit der gewünschten Exzentrizität zueinander angeordneten Scheiben, von
denen die eine mehrere auf dem Umfang gleichmäßig verteilte Ausnehmungen und die
andere Scheibe eine gleiche Anzahl von gleichmäßig auf dem Umfang verteilten Stiften
besitzt,: die in die Ausnehmung eingreifen und derart bemessen und angeordnet sind,
daß stets ein Stift in Antriebsberührung mit einer Kante der Ausnehmung
steht
und der Übergang von dem Antriebseingriff eines Stiftes auf den eines anderen Stiftes
gleichmäßig erfolgt. Die Mittel, einen derartigen Antriebseingriff der Stifte zu
erreichen, bestehen in einer .Abstimmung der Abmessungen der Stifte und des Teilkreisdurchmessers,
auf dem sie angeordnet sind, zu der Breite der auf der anderen Scheibe angeordneten
Ausnehmungen. In einem kurzen Augenblick, wenn der Antriebseingriff eines Stiftes
aufhört und der Antriebseingriff des nächsten Stiftes beginnt, sind zwei Stifte
mit einer Kante der zu ihnen gehörenden Ausnehmungen im Eingriff. Es wird ausdrücklich
betont, daß der Erfindungsgegenstand sich neben einer Vorrichtung zum Schleifen
von Ventilsitzflächen ausschließlich auf eine Vorrichtung zum Feinstfräsen und nicht
zum Grobfräsen von Ventilsitzflächen bezieht. Entscheidend ist hierbei, daß der
Feinstfräskörper sich mit ähnlich hoher Geschwindigkeit herumdreht wie ein Schleifkörper
und daß der Fräskörper derart feinzahnig ist, daß ein nachfolgendes Einschleifen
in der üblichen Art nicht mehr notwendig ist.
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An Hand der Abbildungen, in denen einige Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt sind, sind weitere Verbesserungen und zweckmäßige Ausgestaltungen
des Erfindungsgegenstandes beschrieben. Es muß besonders betont werden, daß die
Abb. 1, 2 und 3 im wesentlichen in aßstäbliche Darstellungen von erfindungsgemäß
ausgebildeten Vorrichtungen sind. Es zeigt Abb. i einen Längsschnitt durch eine
erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung, Abb.2 einen Längsschnitt durch einige
Einzelteile dieser Vorrichtung in vergrößertem Maßstabe, Abb. 3 einen Längsschnitt
durch eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung mit einer Feinstfrässcheibe,
Abb.4 eine schematische Darstellung einer gemäß der Erfindung vorzugsweise verwendeten
Klauen- oder Stiftkupplung, Abb.5 eine Schemazeichnung in vergrößertem Maßstabe
der Klauen- oder Stiftkupplung der Abb. 4.
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In den Abb. i und 2 ist mit i das Werkstück, z. B. der Zylinderkopf
einer Brennkraftmaschine, bezeichnet, in welchen der zu bearbeitende Ventilsitz
2 fest eingesetzt ist. In die zur Ventilführung dienende Büchse 3 ist eine weitere
Führungsbüchse 4. eingesetzt, die zur Führung und Lagerung des Werkzeugträgers 5
dient.
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Der Werkzeugträger ist an seinem Kopfende gehäuseförmig ausgebildet
und mit dem Schaft versehen, welcher in der Hülse 4 gelagert ist und dessen mit
Gewinde versehenes Ende 8 nach oben hin über den Zylinderkopf i hinausragt. Auf
dieses Ende 8 ist die Mutter 9 und die Gegenmutter 10 aufgeschraubt, wobei sich
die Mutter 9 gegen eine Scheibe i i abstützt, die ihrerseits an einem am Zylinderkopf
zu befestigenden Lagerstück 12 kugelig gelagert ist. Zwischen der Führungsbüchse
4 und dem Lagerstück 12 ist eine Feder 13 zwischengeschaltet, welche die Führungsbüchse
4 und damit den Werkzeugträger 5 so weit nach unten °preßt, bis sich die Mutter
9 gegen die Scheibe i i anlegt.
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Zur Bearbeitung der kugeligen Ventilsitzfläche 14 ist bei dem Ausführungsbeispiel
nach Abb. i und 2 eine Schleifscheibe bzw. ein Schleifring 15 vorgesehen, welcher
in der nachfolgend beschriebenen Weise im Werkzeugträger 5 gelagert ist. Die Schleifscheibe
ist zu diesem Zweck auf einem glockenförmigen Körper 16 befestigt, welcher seinerseits
auf einem Zapfen 17 fest angeordnet ist. Der Zapfen ist mittels Kugellagern 18 und
i9 im Kopfstück 6 des Werkzeugträgers gelagert und zusammen mit dem Werkstück in
axialer Richtung gesichert.
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Wie insbesondere die Abb.2 zeigt, besitzt der Zapfen eine Drehachse
B-B, welche zu der Achse A-A der Ventilführung bzw. des - Schaftes 7 des Werkzeugträgers
mit der Exzentrizität e exzentrisch angeordnet ist.
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Der Antrieb des Werkzeuges erfolgt durch eine Antriebswelle 20, welche
den Schaft des Werkzeugträgers axial durchsetzt und in beliebiger Weise, z. B. elektromotorisch,
durch biegsame oder gelenkige Wellen angetrieben werden kann. Das untere Ende der
Antriebswelle 2o ist ebenfalls in einem Kugellager 21 im Kopf des Werkzeugträgers
gelagert und mit einer Kupplungsscheibe 22 fest verbunden. Eine entsprechende Scheibe
23 ist ferner am oberen Ende des Werkzeugzapfens 17 vorgesehen. Beide Scheiben 22
und 23 sind mit Kupplungsklanen 24 versehen, welche gegenseitige Mitnahme bewirken.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung ist folgende:
Nachdem derWerkzeugträger mit dem Werkzeug von unten her in die Ventilführung eingeführt
worden ist, erfolgt die axiale Einstellung der Schleifscheibe 15 durch entsprechendeVerstellung
der Muttern 9 und io derart, daß die Schleifscheibe mit der zu bearbeitenden Sitzfläche
14 des Ventilsitzes in Berührung kommt bzw. der erforderliche Anpreßdruck zwischen
der Schleifscheibe und dem Ventilsitz hergestellt worden ist. Hierauf wird der Antrieb
der Schleifscheibe eingeschaltet, welche durch die Antriebswelle 20 über die Klauenkupplung
24 und den Zapfen 17 angetrieben wird und hierbei mit hoher Drehzahl insbesondere
um die Achse B-B umläuft. Infolge der Exzentrizität e bearbeitet die Scheibe 15
den Ventilsitz 14 jeweils nur an einer einzigen Stelle des Ventilsitzumfanges, während
auf der Gegenseite ein Spiel 25 besteht.
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Durch langsames Verdrehen des Werkzeugträgers um seine Achse A-A wird
die Ventilfläche 14 allmählich über ihren ganzen Umfang gleichmäßig bearbeitet.
Bei jeder Umdrehung des Werkzeuges um seine Achse B-B tritt infolge der Exzentrizität
e eine radiale Verschiebung der Kupplungsscheiben z2 und 23 gegeneinander ein, was
jedoch infolge entsprechender Ausführung der Klauen '4 ohne weiteres möglich ist.
Vergleichsweise sei angegeben, daß die Drehbewegung um die Achse A-A mit einer Geschwindigkeit
erfolgen kann, die einer Drehzahl von etwa io bis ioo entspricht, während das Werkzeug
selbst um seine eigene Achse B-B mit
Drehzahlen von über looo, insbesondere
jedoch etwa mit Drehzahlen zwischen io ooo bis 3o ooo pro Minute laufen kann.
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Die Drehung des Werkzeugträgers um die Achse A-A kann bei einfachen
Vorrichtungen von Hand, z. Bi. durch gemeinsames Verdrehen der beiden Muttern 9
und io, oder auch maschinell erfolgen, z. B. in der Weise, daß der Antrieb für die
Umdrehungen des Werkzeugträgers um die Achse A-A von dem Antrieb der Antriebswellen
2o abgezweigt wird.
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Naturgemäß muß zwischen beiden Antrieben eine solche Übersetzung zwischengeschaltet
sein, daß einerseits die erforderliche hohe Drehzahl der Antriebswelle bzw. des
Werkstückes 15 um seine Achse B-B und- andererseits die verhältnismäßig geringe
Drehzahl des Werkzeugträgers um seine Achse A-A erzielt wird.
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Der Antrieb kann ferner auch beispielsweise pneumatisch oder hydraulisch
mittels an sich bekannter Turbinen od. dgl. erfolgen.
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In den Abb.4 und 5 ist schematisch eine vorzugsweise gemäß der Erfindung
vorgesehene Klauen-oder Stiftkupplung dargestellt. Die Übertragung der Kräfte von
der zentrisch gelagerten Antriebswelle 2o auf die exzentrisch hierzu gelagerte Welle
17 des Trägers für die Feinstfräs- oder Schleifscheibe erfolgt, wie bereits oben
beschrieben, über die beiden Kupplungsscheiben 22 und 23. Die Scheibe 23 weist vier
schlitzförmige Ausnehmungen oder Einfräsungen 37 auf, in welche vier Mitnehmerstifte
38 eingreifen, die auf der exzentrisch zu der Scheibe 23 angeordneten Gegenscheibe
22 befestigt sind. Der Teilkreisdürchmesser, auf dem die Mitnehmerstifte 38 angeordnet
sind, ist derart bestimmt; daß jeweils ein Stift mit einer der etwa radial verlaufenden
Kanten .der Ausnehmungen 37 im Eingriff steht und drei Stifte keine Übertragungsarbeit
zu leisten haben. Wenn die Scheibe 23 um etwa 45° gedreht wird, tritt der Augenblick
ein, wo der nächste Stift, der bisher keine Übertragungsarbeit zu leisten hatte,
die Mitnahme bewirkt und den bisher im Eingriff stehenden Stift entlastet. Dies
wiederholt sich laufend in Abständen von etwa 45'. Diese Abstände sind selbstverständlich
veränderlich je nach der Anzahl der Stifte- und Ausnehmungen, die in den beiden
Kupplungsscheiben vorgesehen sind. Sofern die Stifte 38 Leistung übertragen, gleiten
sie an den etwa radial verlaufenden Kanten der Schlitze 37 entlang. Der Durchmesser
der Stifte 38 muß so gewählt werden, daß zwei Stifte in dem Augenblick, in dem der
eine Stift außer und der andere in Eingriff kommt, gleichmäßig an den Längskanten
der beiden entsprechenden Schlitze 37 anliegen, damit eine fortdauernde gleichmäßige
Drehung erfolgt, so daß der Feinstfräs- oder Schleifprozeß keine ungünstige Unterbrechung
erfährt,