EP0904176A1

EP0904176A1 - Verfahren und vorrichtung zum unrundschleifen von nockenformen mit konkaven flanken

Info

Publication number: EP0904176A1
Application number: EP97923019A
Authority: EP
Inventors: Georg Himmelsbach
Original assignee: Erwin Junker Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Erwin Junker Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 1996-05-23
Filing date: 1997-05-07
Publication date: 1999-03-31
Anticipated expiration: 2017-05-07
Also published as: WO1997044159A1; EP0904176B1; GEP20012496B; DE59706048D1; US6200200B1; DE19620813A1; KR20000015927A; CA2256430A1; JP2000510771A; BR9709022A; DE19620813C2

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schleifen von konkave Flanken aufweisenden Nocken einer Nockenwelle vorgeschlagen unter Verwendung einer Schleifscheibe (3) kleineren Durchmessers, die zumindest zum Fertigschleifen eingesetzt wird. Die Achse der Schleifscheibe verläuft schräg zur Nockenwellenlängsachse (2), und unter dem gleichen Winkel ist die Schleifscheibe ausgerichtet. Zum Erzielen einer einwandfreien Lauffläche wird die Schleifscheibe längs einer senkrecht zur Zustellachse (X) verlaufenden Vorschubachse (Y) nachgeführt, und zwar in Abhängigkeit von der Drehstellung der Nockenwelle und von der Positionierung auf der Zustellachse.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Unrundschleifen von Nockenformen mit konkaven Flanken

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen und eine Vorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 8 angegebenen Merkmalen.

Nockenformen mit konkaven Flanken im An- und Ablaufbereich des Nockens werden zum Beispiel von Automobilherstellern zunehmend gewünscht, weil damit eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs und ein Einsatz der Rollenhe- bel-Ventiltπebtechnik erreichbar sind.

Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der als bekannt vorausgesetzten Art sind in der DE 44 26 452 Cl beschrieben. Dabei ist die Schleifspindelachsc parallel zur Werkstuckdrehachse angeordnet. Auf Grund der Platzverhaltnisse und des kleinen Schleifscheibendurchmessers fuhrt dies dazu, daß sehr schlanke, lange Schleifspmdeln eingesetzt werden müssen, und zwar ins¬ besondere bei einem Direktantπeb mit Hochfrequenzmotor, wobei die Schleifspindel langer ausgeführt sein muß als die Nockenwelle. Hier gibt es dann bei Nockenwellenlangen von beispielsweise mehr als 500 mm Probleme in bezug auf die Steifigkeit und die Eigenschwingfrequenzen der Schleif¬ spindel. Ähnliches gilt bezüglich der DE 41 37 924 C l , bei deren Gegenstand ebenfalls mit einer Schleitspindel zum Fertigschleifen des Nockens gearbeitet wird, deren Achse parallel zur Werkstuckdrehachse verlauft

i Gemäß der DE-PS 678 981 wird, wie m den Abb. 3 bis 6 gezeigt, mit einer senkrecht zur Nockenwellenachse ausgerichteten Schleifspindel gearbei¬ tet Hier wird der konkave Teilbereich des Nockens mit einer separaten Schieitscheibe ausgeschhffen. Daraus ergibt sich dann, weil die Nockenform nicht mit einer Schleifscheibe über ihren gesamten Umfang fertiggeschliffen ιo wird, ein Formfehler im Ubergangsbereich zum konkaven Nockenabschnitt Der Durchmesser der Schleifscheibe wird dadurch begrenzt, daß der jeweili¬ ge in Richtung der Nockenwellenlangsachse neben dem zu schleifenden Nocken angeordnete Nocken den maximalen Schleitscheibendurchmesser durch seinen maximalen Umlautdurchmesser vorgibt Außerdem muß, um eine i -i ebene Nockenform zu erhalten, mit einem Verfahren oder Oszillieren der Schleifscheibe in Richtung der Nockenwellenlangsachse gearbeitet werden, was zeitaufwendig und unwirtschaftlich ist.

Bekannt ist ferner, daß Nocken mit einem Bandschleifvertahren geschliffen 20 werden Bei einem derartigen System ist nachteilig, daß die Schleifbander oft ausgetauscht werden müssen, und die Nockenlaufflache nur eben ge¬ schliffen werden kann Der Umstand des häufigen Schleifbandwechsels fuhrt dazu, daß dieses System gegenüber dem Schleifen mit keramisch gebunde¬ nem CBN unwirtschaftlich ist

2S

Außerdem muß zum Schleifen von schrägen Nocken die gesamte Schleifein- heit geschwenkt werden In Bezug auf die Geradheit der Nockenmantelflache in Richtung der Nockenwellenlangsachse können die Genauigkeitswerte wie beim Schleifen nicht erreicht werden

30 Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der als bekannt vorausgesetzten Art so weiterzubilden, daß die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden werden und daß insbesondere bei hoher Genauigkeit der fertig bearbeiteten Nockenwelle mit einer sehr kurzen und dementsprechend steifen Schleifspindelausführung gearbeitet werden kann.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, vorrichtungsmäßig mit den im Anspruch 8 angegebenen Merk- malen gelöst.

Erfindungsgemäß wird durch die Schrägstellung der Schleifspindel erreicht, daß mit einem kleinen Schleifscheibendurchmesser und dennoch sehr kurzer und steifer Schleifspindel gearbeitet werden kann. Die Genauigkeit der fertig bearbeiteten Nockenwelle ergibt sich aus der Koordination der Bewegungen der Schleifspindel in bezug auf drei verschiedene CNC-Achsen. Durch die Schrägstellung der Schleifspindel vereinfacht sich die Situation in der Ma¬ schine auf Grund der Störkanten sehr stark. Dadurch ist es z.B. möglich, auch konkave Nockenformen mit kleinem Konkavradius an langen Nocken- wellen zu schleifen. Das System ist außerdem wesentlich flexibler, als dies bei einer parallel zur Nockenwellenmittelachse angeordneten Schleifspindel für die kleine Schleifscheibe der Fall wäre.

Wie beim Bandschleifverfahren ergeben sich die Vorteile, daß sehr kleine Konkavradien realisiert werden können und daß durch entsprechendes Abrich¬ ten der Schleifscheibe auch ballige und schräge Nockenlaufbahnen mit oder ohne Abfasung hergestellt werden können.

Bei einem Schleifaufmaß von beispielsweise einigen Zehntel Millimetern kann die Nockenkontur mit einer einzigen Schleifscheibe fertiggeschliffen werden. Vorteilhafte weitere Ausfuhrungstormen des Verfahrens nach Anspruch 1 sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7, wahrend weitere Ausbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 8 in den Ansprüchen 9 und 10 beschrieben sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausfuhrungsbeispielen naher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Draufsicht auf eine erfindungsgemaß ausgebildete Vorrichtung;

Fig. IA einen Teilausschnitt aus der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt durch Nockenwelle und Schleifscheibe entsprechend der Schnittlinie S - S in Fig. 1 ;

Fig. 3 die Vorderansicht der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung in Rich¬ tung des Pfeils V;

Fig. 4 die Draufsicht auf eine abgeänderte Vorrichtung, bei der mit einer eigenen Vorschleifscheibe gearbeitet wird.

In Fig. 1 ist dargestellt, daß die Schleitspindel 1 zum Schleifen von Nocken mit einer in zur Nockenwellenlangsachse 2 parallelen Nockenmantelflache 17 unter einem Winkel a zur Nockenwellenlangsachse 2 angeordnet ist. Die Schleifscheibe 3 ist unter dem gleichen Winkel konisch abgerichtet, so daß die Schleifzone 4 der Schleifscheibe 3 wieder parallel zur Nockenwellen¬ langsachse 2 angeordnet ist. Durch die schräge Anordnung der Schleitspindel 1 wird erreicht, daß diese wesentlich kurzer und steifer ausgeführt werden kann, als wenn sie parallel zur Nockenwellenlangsachse 2 angeordnet wäre. Der Winkel α ist frei wahlbar und hat vorzugsweise einen Wert zwischen 10° und 30° , wobei die Winkelgröße von der Nockenwellengeometrie abhängig ist.

Die Nockenwelle 13 wird zwischen einem Werkstückspindelstock 9, auf dem ein Spannfutter 10 montiert ist, das um seine Längsachse in Verlängerung der Werkstückdrehachse 2 drehbar gelagert ist, und einem Reitstock 1 1 aufgenommen.

Der Werkstückspindelstock 9 und der Reitstock 1 1 sind auf dem Schleiftisch 12 fest montiert. Zur Abstützung der Nockenwelle 13 während der Schleif¬ bearbeitung sind auf dem Schleiftisch 12 Lünetten 5 und 7 montiert, die ein Durchbiegen der Nockenwelle 13 während des Schleifvorgangs verhindern. Die Lünetten 5 und 7 stützen die Nockenwelle 13 an deren Lagerstellen 6 bzw. 8 in exakter Flucht zwischen der Längsachse des Werkstückspindel- Stocks 9 und des Reitstocks 1 1 ab.

Je nach Geometrie der Nockenwelle 13 und der geforderten Genauigkeiten und Bearbeitungszeiten variiert die Anzahl der Lünetten. In Fig. I sind beispielsweise zwei Lünetten 5 und 7 dargestellt, die auf dem Schleiftisch montiert sind.

Der Schleifspindelantrieb für die Schleifspindel 1 mit der kleinen Schleif¬ scheibe 3 kann mit Riemenantrieb oder als Hochfrequenz-Schleifspindeleinheit ausgeführt sein.

In Fig. 1 sind die Zustellachse X und die Längspositionierachse Z darge¬ stellt. Senkrecht zur Zeichenebene hat man sich die vertikale Vorschubachse Y zu denken. Das Werkstück rotiert um die Werkstückdrehachse C. Bei geringem Schleifaufmaß kann die Nockenkontur nur mit der Schleif¬ scheibe 3 hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, daß zum Vorschlei¬ fen eine eigene Schleifscheibe größeren Durchmessers verwendet wird.

In Fig. IA ist ein Teilausschnitt aus der Fig. 1 dargestellt. Zum Schleifen von konischen Nocken, die einen Schrägungswinkel ß an der Nockenmantel¬ fläche 17 in Richtung der Nockenwellenlangsachse 2 aufweisen, gibt es verschiedene Möglichkeiten.

Bei einem Schrägungswinkel ß der Nockenmantelfläche 17 kann die Schleif¬ scheibe 3 auf einen Winkel α, abgerichtet werden, so daß (es gilt α , + ß = a) der Schrägungswinkel jß auf der Schleifscheibe abgerichtet ist und der Schwenkwinkel a der Schleifspindel 1 unverändert bleibt.

Eine andere Variante ist, daß die Schleifscheibe 3 auf den Winkel a abge¬ richtet bleibt und die Schleifspindel 1 um den Winkel ß horizontal ver¬ schwenkt wird (es gilt α ± ß = α₂).

Gemäß Fig. 2 wandert beim Nockenformschleifen die Schleifzone 4 auf Grund der Unrundkontur des Nockens 15 über bzw. unter die theoretische Nockenwellenlangsachse 2, so daß während eines Nockenumlaufes die Schleifzone an der Schleifscheibe zwischen den Punkten 4A und 4B wandert. Bei schräg angestellter Schleifscheibe würde dies normalerweise zu einer Verzerrung der Nockenmantelfläche 17 führen. Bei dem Wandern der Schleifzone zwischen Punkt 4A und Punkt 4B kommt es dazu, daß die Nockenmantelfläche 17, die bei ebenen Nocken in Richtung der Werkstück¬ drehachse 2 parallel zu dieser sein soll, in dem Bereich, in dem das Schlei¬ fen nicht in der Schleifzone 4 erfolgt, schräg wird. Um dies zu verhindern, wird erfindungsgemäß die Schleifscheibe 3 mit der gesamten Schleifspindel 1 längs der vertikalen Vorschubachse Y derart nachgefuhrt, daß das Schlei¬ fen immer exakt in der in Fig. 2 dargestellten Schleifzone 4 erfolgt.

Um beim Fertigschleifen eine optimale Nockengeometrie zu erhalten, ist es notwendig, daß die Schleifzone 4 immer exakt auf der gleichen Position am Umfang der Schleifscheibe 3 verbleibt.

Die Schieitzone 4 muß am Schlerfscheibenumtang auf der Schleifscheibe 3 auf der Mittellinie 20 liegen, die wiederum parallel zur X-Achse angeordnet

Diese Nachtuhrung der Schleifscheibe 3 wahrend des Nockenformschleifens ist in Fig. 2 durch die beiden Maße A und B aufgezeigt.

In Fig 3 sind die vertikale Vorschubachse Y und die Langspositionierachse Z dargestellt. Außerdem ist auch hier die Werkstuckdrehachse C gezeigt. Die Zustellachse X hat man sich senkrecht zur Zeichenebene verlaufend vorzustellen.

Alle Achsen sind als CNC-Achsen ausgeführt. Die Vorschubachse Y dient dazu, daß die Schleifzone 4 auf der Schleifscheibe 3 immer auf der gleichen Position gehalten wird. Die Zustellachse X und die Werkstuckdrehachse C dienen zur Erzeugung der Nockenform und müssen deshalb in koordiniertem Betrieb arbeiten. Um die Schieitzone 4 immer auf der gleichen Position an der Schleifscheibe 3 zu halten, muß die vertikale Vorschubachse Y in Abhängigkeit von der Stellung der Zustellachse X und der Werkstuckdreh¬ achse C nachgefuhrt werden. Es ist ersichtlich, daß die drei Achsen X, Y und C in direktem Abhangigkeitsverhaltnis zueinander arbeiten müssen und deshalb koordiniert betrieben werden Bei Nockenwellen, die ein größeres Schleitaufmaß aufweisen, kann beispiels¬ weise die Ausfuhrung gemäß Fig. 4 zum Einsatz kommen. Diese zeigt eine Ausfuhrung einer Schleifmaschine mit zwei Schleifspmdeln, wobei die erste Schleitspindel la zum Vorschleifen einer Zwischenkontur an der Nockentorm mit einer ersten großen Schieitscheibe 3a ausgestattet ist, die beispielsweise einen Durchmesser von 400 mm hat. Die erste Schleifspindel la braucht in Richtung der Y-Achse nicht verfahrbar angeordnet zu sein.

Generell kommt es bei dem Verfahren darauf an, daß beim Fertigschleifen mit der Schleifscheibe 3 eine interpolierende Bewegung der Achsen X, Y und C wahrend des Schleifens stattfindet. Es wäre auch möglich, anstatt die Schleifscheibe 3 mit der Schleitspindel 1 vertikal zu verfahren, diese in Richtung der Y-Achse ortsfest zu montieren und dafür den Werkstuckspindel- stock 9 mit dem Spannfutter 10, die Lünetten 5 und 7 und den Reitstock 1 1 , also die kompletten Schleiftischaufbauten auf dem Schleiftisch 12, vertikal im interpolierenden Betrieb zu den Achsen X und C zu betreiben. Dadurch wurde der gleiche Effekt mit einem geänderten Vorrichtungsaufbau erzielt werden.

Die zweite einschwenkbare Schleitspindel 1 , die zum Fertigschleifen der Nockenkontur dient und mindestens eine Schleifscheibe 3 aufnimmt, hat den in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Aufbau.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zum Schleifen von konkave Flanken aufweisenden Nocken einer Nockenwelle unter Verwendung einer Schleifscheibe kleineren

Durchmessers mit an der Mantelfläche angeordneter Schleifzone zum Fertigschleifen des Nockens, 0 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

daß mit einer Schleifscheibe (3) gearbeitet wird, deren Achse unter einem Winkel (α) von etwa 10° bis 30° zur Nockenwellenlangsachse 5 (2) ausgerichtet ist, und daß die gesamte Schleifspindel (1) mit der unter dem gleichen Winkel (a) abgerichteten Schleifscheibe (3) in Richtung einer senkrecht zur Zustellachse (X) verlaufenden vertikalen Vorschubachse (Y) derart nachgeführt wird, daß die Schleifzone (4) der Schleifscheibe (3) immer auf der gleichen Position auf der Mantellinie o der Schleifscheibe (3) gehalten wird.

2. Vorrichtung zum Schleifen von konkave Flanken aufweisenden Nocken einer Nockenwelle unter Verwendung einer Schleifscheibe kleineren Durchmessers mit an der Mantelfläche angeordneter Schleifzone zum 5 Fertigschleifen des Nockens, zum Durchführen des Verfahrens nach

Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifspindel für die zum Fertigschleifen eines Nockens (15) bestimmte Schleifscheibe (3) unter einem Winkel (α) von etwa 10° bis 30° zur Werkstückdrehachse (C) angeordnet ist, daß die Schleifscheibe (3) unter dem gleichen Winkel 0 (a) konisch abgerichtet ist und daß Mittel für die koordinierte Bewe-

BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA / EP gung der Schleifscheibe (3) längs der Zustellachse (X) und der senk¬ recht dazu verlaufenden Vorschubachse (Y) in bezug auf die Werk¬ stückdrehachse (C) vorgesehen sind, wobei die Schleifscheibe (3) derart nachgeführt wird, daß die Schleifzone (4) der Schleifscheibe (3) immer auf der gleichen Position auf der Mantellinie der Schleifscheibe (3) gehalten wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werk¬ stückdrehachse (C), die Zustellachse (X) und die Vorschubachse (Y) als CNC-Achsen ausgeführt sind und die Vorschubachse (Y) in Abhängig¬ keit von der Stellung der Werkstückdrehachse (C) und der Zustellachse (X) nachgeführt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustellachse (X) unabhängig vom Winkel (α) unter 90° zur Werkstück¬ drehachse (C) verläuft.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich¬ net, daß zum Herstellen von Nocken mit schräger Lauffläche der Winkel ( oc ) unverändert bleibt und die Schleifscheibe (3) um den Nei¬ gungswinkel (ß) schräg abgerichtet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich¬ net, daß zum Herstellen von Nocken mit schräger Lauffläche der Winkel (α) in der einen oder anderen Richtung abänderbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeich¬ net, daß, um die Schleifzone (4) immer auf der gleichen Position auf der Mantellinie der Schleifscheibe (3) zu halten, die Nockenwelle ( 13) vertikal verfahrbar ist.

BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA / EP

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeich¬ net, daß zum Vorschleifen eine Schleifspindel (la) mit einer großen Schleifscheibe (3a) zum Einsatz kommt und die Nockenform einschließ¬ lich der konkaven Flanken mit der kleinen Schleifscheibe (3) fertigge- schliffen wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spindel¬ stock (18), auf dem beide Schleifspindeln (1 , la) gelagert sind, um eine quer zur Nockenwelle (13) verlaufende Achse (19) schwenkbar ist und daß durch das Verschwenken die große Schleifscheibe (3a) oder die kleinere Schleifscheibe (3) in die Arbeitsposition gelangt.

BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA /EP