EP0904176B1

EP0904176B1 - Verfahren und vorrichtung zum unrundschleifen von nockenformen mit konkaven flanken

Info

Publication number: EP0904176B1
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: 2001-11-21
Anticipated expiration: 2017-05-07
Also published as: GEP20012496B; WO1997044159A1; JP2000510771A; DE19620813A1; KR20000015927A; EP0904176A1; CA2256430A1; BR9709022A; DE59706048D1; DE19620813C2; US6200200B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen und eine Vorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 2 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 Rollenhebel-Ventiltriebtechnik erreichbar sind.

In der GB-A-2 208 275 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schleifen von Wellen erläutert. Dort wird u.a. mit einer Schleifscheibe gearbeitet, deren Achse unter einem Winkel von etwa 10° bis 30° zur Wellenlängsachse ausgerichtet ist. Eine Bewegung der Schleifscheibe längs der senkrecht zur Zustellachse verlaufenden Vorschubachse ist indessen nicht vorgesehen.

Aus der GB-A-2 271 731 sind eine vorrichtung und ein Verfahren zum Schleifen von konkave Flanken aufweisenden Nocken einer Nockenwelle bekannt; aus diese Schrift ist eine Bewegung der Schleifscheibe längs der senkrecht zur Zustellachse verlaufenden Vorschubachse bekannt. Diese Bewegung erzielt aber nur eine konstante Lineargeschwindigkeit des Werkzeuges entlang des Nockenprofils und somit eine konstante Abtragrate und eine Einstellmöglichkeit des Verfahrens, wenn beispielsweise die Mengen des abzutragenden Materials entlang unterschiedlicher Konturteile unterschiedlich sind. Hinweise auf eine Bearbeitung mit konisch abgerichteten Scheiben sind dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der als bekannt vorausgesetzten Art sind in der DE 44 26 452 C1, die als beschreibung des nächstliegenden Standes der technik angesehen wird, beschrieben. Dabei ist die Schleifspindelachse parallel zur Werkstückdrehachse angeordnet. Aufgrund der Platzverhältnisse und des kleinen Schleifscheibendurchmessers führt dies dazu, daß sehr schlanke, lange Schleifspindeln eingesetzt werden müssen, und zwar insbesondere bei einem Direktantrieb mit Hochfrequenzmotor, wobei die Schleifspindel länger ausgeführt sein muß als die Nockenwelle. Hier gibt es dann bei Nockenwellenlängen von beispielsweise mehr als 500 mm Probleme in bezug auf die Steifigkeit und die Eigenschwingfrequenzen der Schleifspindel.

Ähnliches gilt bezüglich der DE 41 37 924 C1, bei deren Gegenstand ebenfalls mit einer Schleifspindel zum Fertigschleifen des Nockens gearbeitet wird, deren Achse parallel zur Werkstückdrehachse verläuft.

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

Bekannt ist ferner, daß Nocken mit einem Bandschleifverfahren geschliffen werden. Bei einem derartigen System ist nachteilig, daß die Schleifbänder oft ausgetauscht werden müssen, und die Nockenlauffläche nur eben geschliffen werden kann. Der Umstand des häufigen Schleifbandwechsels führt dazu, daß dieses System gegenüber dem Schleifen mit keramisch gebundenen CBN unwirtschaftlich ist.

Außerdem muß zum Schleifen von schrägen Nocken die gesamte Schleifeinheit geschwenkt werden. In Bezug auf die Geradheit der Nockenmantelfläche in Richtung der Nockenwellenlängsachse können die Genauigkeitswerte wie beim Schleifen nicht erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der als bekannt vorausgesetzten Art so weiterzubilden, daß eine Verzerrung der Nockenmantelfläche vermieden wird (die Verzerrung wird dadurch verursacht, daß die Parallelität zwischen der Bearbeitungszone der Nockenfläche und der Schleifscheibe während des Nockenumlaufes nicht eingehalten wird) 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 in dem Ansprüchen 2, 5 und 6 angegebenen Merkmalen 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 Maschine aufgrund der Störkanten sehr stark. Dadurch ist es z.B. möglich, auch konkave Nockenformen mit kleinem Konkavradius an langen Nockenwellen 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 Abrichten 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

Gegenstand der Ansprüche 3 bis 9 sind weitere Ausbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 2.

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

Fig. 1: die Draufsicht auf eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung;
Fig. 1A: 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 Richtung des Pfeils V;
Fig. 4: die Draufsicht auf eine abgeänderte Verrichtung, bei der mit einer eigenen Vorschleifscheibe gearbeitet wird.

In Fig. 1 ist dargestellt, daß die Schleifspindel 1 zum Schleifen von Nocken mit einer in zur Nockenwellenlängsachse 2 parallelen Nockenmantelfläche 17 unter einem Winkel αzur Nockenwellenlängsachse 2 angeordnet ist. Die Schleifscheibe 3 ist unter dem gleichen Winkel konisch abgerichtet, so daß die Schleifzone 4 der Schleifscheibe 3 wieder parallel zur Nockenwellenlängsachse 2 angeordnet ist. Durch die schräge Anordnung der Schleifspindel 1 wird erreicht, daß diese wesentlich kürzer und steifer ausgeführt werden kann. als wenn sie parallel zur Nockenwellenlängsachse 2 angeordnet wäre. Der Winkel α ist frei wählbar 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 11 aufgenommen.

Der Werkstückspindelstock 9 und der Reitstock 11 sind auf dem Schleiftisch 12 fest montiert. Zur Abstützung der Nockenwelle 13 während der Schleifbearbeitung 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 Werkstückspindelstocks 9 und des Reitstocks 11 ab.

Je nach Geometrie der Nockenwelle 13 und der geforderten Genauigkeiten und Bearbeitungszeiten variiert die Anzahl der Lünetten. In Fig. 1 sind beispielsweise zwei Lünetten 5 und 7 dargestellt, die auf dem Schleiftisch montiert sind.

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

In Fig. 1 sind die Zustellachse X und die Längspositionierachse Z dargestellt. 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 Schleifscheibe 3 hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, daß zum Vorschleifen eine eigene Schleifscheibe größeren Durchmessers verwendet wird.

In Fig. 1A ist ein Teilausschnitt aus der Fig. 1 dargestellt. Zum Schleifen von konischen Nocken, die einen Schrägungswinkel β an der Nockenmantelfläche 17 in Richtung der Nockenwellenlängsachse 2 aufweisen, gibt es verschiedene Möglichkeiten.

Bei einem Schrägungswinkel β der Nockenmantelfläche 17 kann die Schleifscheibe 3 auf einen Winkel α₁ abgerichtet werden, so daß (es gilt α₁ + β = α) der Schrägungswinkel β auf der Schleifscheibe abgerichtet ist und der Schwenkwinkel α der Schleifspindel 1 unverändert bleibt.

Eine andere Variante ist, daß die Schleifscheibe 3 auf den Winkel α abgerichtet bleibt und die Schleifspindel 1 um den Winkel β horizontal verschwenkt wird (es gilt α ± β = α₂).

Gemäß Fig. 2 wandert beim Nockenformschleifen die Schleifzone 4 auf Grund der Unrundkontur des Nockens 15 über bzw. unter die theoretische Nockenwellenlängsachse 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 Werkstückdrehachse 2 parallel zu dieser sein soll, in dem Bereich, in dem das Schleifen 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 nachgeführt, daß das Schleifen 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 Schleifzone 4 muß am Schleifscheibenumfang auf der Schleifscheibe 3 auf der Mittellinie 20 liegen, die wiederum parallel zur X-Achse angeordnet ist.

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

In Fig. 3 sind die vertikale Vorschubachse Y und die Längspositionierachse Z dargestellt. Außerdem ist auch hier die Werkstückdrehachse 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 Werkstückdrehachse C dienen zur Erzeugung der Nockenform und müssen deshalb in koordiniertem Betrieb arbeiten. Um die Schleifzone 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 Werkstückdrehachse C nachgeführt werden. Es ist ersichtlich, daß die drei Achsen X, Y und C in direktem Abhängigkeitsverhältnis zueinander arbeiten müssen und deshalb koordiniert betrieben werden.

Bei Nockenwellen, die ein größeres Schleifaufmaß aufweisen, kann beispielsweise die Ausführung gemäß Fig. 4 zum Einsatz kommen. Diese zeigt eine Ausführung einer Schleifmaschine mit zwei Schleifspindeln, wobei die erste Schleifspindel 1a zum Vorschleifen einer Zwischenkontur an der Nockenform mit einer ersten großen Schleifscheibe 3a ausgestattet ist, die beispielsweise einen Durchmesser von 400 mm hat. Die erste Schleifspindel 1a 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 während des Schleifens stattfindet. Es wäre auch möglich, anstatt die Schleifscheibe 3 mit der Schleifspindel 1 vertikal zu verfahren, diese in Richtung der Y-Achse ortsfest zu montieren und dafür den Werkstückspindelstock 9 mit dem Spannfutter 10, die Lünetten 5 und 7 und den Reitstock 11, also die kompletten Schleiftischaufbauten auf dem Schleiftisch 12, vertikal im interpolierenden Betrieb zu den Achsen X und C zu betreiben. Dadurch würde der gleiche Effekt mit einem geänderten Vorrichtungsaufbau erzielt werden.

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

Claims

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,
dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Schleifscheibe (3) gearbeitet wird, deren Achse unter einem Winkel (α) von etwa 10° bis 30° zur Nockenwellenlängsachse (2) ausgerichtet ist, und daß die gesamte Schleifspindel (1) mit der unter dem gleichen Winkel (α) 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 der Schleifscheibe (3) gehalten wird.
Vorrichtung 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, 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 (α) konisch abgerichtet ist und daß Mittel für die koordinierte Bewegung der Schleifscheibe (3) längs der Zustellachse (X) und der senkrecht dazu verlaufenden Vorschubachse (Y) in bezug auf die Werkstückdrehachse (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.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückdrehachse (C), die Zustellachse (X) und die Vorschubachse (Y) als CNC-Achsen ausgerührt sind und die Vorschubachse (Y) in Abhängigkeit von der Stellung der Werkstückdrehachse (C) und der Zustellachse (X) nachgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustellachse (X) unabhängig vom Winkel (α) unter 90° zur Werkstückdrehachse (C) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen von Nocken mit schräger Lauffläche, statt daß die konisch abgerichtete Schleifscheibe unter dem gleichen winkel (α) abgerichtet ist, der Winkel (∝) unverändert bleibt und die Schleifscheibe (3) um den Neigungswinkel (β) schräg abgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen von Nocken mit schräger Lauffläche, statt daß die konisch abgerichtete Schleifscheibe unter dem gleichen winkel (α) abgerichtet ist, der Winkel (α) in der einen oder anderen Richtung abänderbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß, um die Schleifzone (4) immer auf der gleichen Position auf der Mantellinie der Schleifscheibe (3) zu halten, die Nockenwelle (13) vertikal verfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorschleifen eine Schleifspindel (1a) mit einer großen Schleifscheibe (3a) zum Einsatz kommt und die Nockenform einschließ-lich der konkaven Flanken mit der kleinen Schleifscheibe (3) fertiggeschliffen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spindelstock (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.