WO2013060520A1 - Verfahren und werkzeugmaschine zur spanenden bearbeitung eines rotationsasymmetrischen bereichs - Google Patents

Verfahren und werkzeugmaschine zur spanenden bearbeitung eines rotationsasymmetrischen bereichs Download PDF

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lathe
axis
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Volker Gniesmer
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Ks Kolbenschmidt Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for machining at least one workpiece on a lathe, wherein the workpiece rotates in the lathe and the at least one region to be machined of the workpiece is machined using at least one tool of the lathe, wherein the tool at least parallel to the axis of rotation of Workpiece is moved. Furthermore, the invention relates to a lathe for machining at least one rotating workpiece by means of at least one tool. Furthermore, the invention relates to a cooling passage of a piston for an internal combustion engine for cooling the piston by means of cooling liquid, a piston wall of a piston for an internal combustion engine and a combustion bowl of a piston for an internal combustion engine.
  • a piston for an internal combustion engine and a method for producing a piston is known.
  • a combustion bowl with a circumferential undercut and a circumferential bowl rim is screwed into the piston head with a rotary tool.
  • the rotary tool starting from the center of the combustion bowl, is displaced radially outwards by a defined amount to produce the rounded and sharp-edged bowl edge regions.
  • the piston produced by this method has a rotationally symmetrical combustion recess whose center lies in the piston longitudinal axis.
  • a disadvantage of such a known method for producing a piston is that only rotationally symmetrical regions can be produced on the workpiece.
  • a rotationally asymmetric region Only by means of a further, subsequent method step, it is possible to form a rotationally asymmetric region on the workpiece.
  • Known methods for producing a rotationally asymmetric region are the milling method, for example three-dimensional milling (3D milling).
  • 3D milling three-dimensional milling
  • a rotationally asymmetric region in the case of a workpiece is alternatively produced directly by means of a primary shaping method, for example casting, during the production of the workpiece blank.
  • the milling process is expensive and expensive as a subsequent process.
  • the forming process is complicated compared to the turning process.
  • the object of the invention is therefore to enable a simple, inexpensive and fast processing of a workpiece, wherein a region of the workpiece is to be designed rotationally asymmetric.
  • the object is achieved in that the tool is moved parallel to the axis of rotation of the workpiece so that the machined portion of the workpiece is rotationally asymmetrical with respect to the axis of rotation of the workpiece after machining.
  • a workpiece is both rotationally asymmetric and rotationally symmetric editable. Due to the delivery of the tool parallel to the axis of rotation of the workpiece and the machining of approximately flat workpiece surfaces is possible. Furthermore, it is advantageous that any (rotational) asymmetrical shapes of the workpiece relative to the axis of rotation of the workpiece in the context of the production of the workpiece can be generated. Furthermore, the method is inexpensive, fast and easy to implement on a lathe.
  • the tool is preferably also moved perpendicular to the axis of rotation of the workpiece.
  • the axis of rotation is the axis about which the workpiece clamped in the lathe rotates.
  • the movement of the tool preferably depends on the position of the tool relative to the position of the workpiece in the lathe and / or the rotational speed of the workpiece during machining, that is during the turning operation. Consequently, by adjusting the position of the tool to the position of the workpiece and / or to the rotational speed of the workpiece, it is possible to machine the workpiece rotationally asymmetrically and / or rotationally symmetrically in regions.
  • a rotational asymmetry is for example possible to generate by the tool is moved in the direction of the workpiece at a constant distance of the tool to the axis of rotation of the workpiece so that it is delivered differently in relation to the workpiece relative to the circumference rotating with a rotation, so that thereby forms a rotational asymmetry on the surface of the workpiece.
  • a workpiece surface preferably an approximately planar workpiece surface, is preferably machined to a curved workpiece surface by means of the tool.
  • the curvature of the workpiece surface can be processed in the form of a teardrop shape, spherical shape, egg shape, dome shape or the like.
  • the cooling channel in the piston in rotationally asymmetrical relation to the axis of rotation of the piston. This makes it possible that in the operation of such a cooling channel according to the invention in a Internal combustion engine by the rotationally asymmetric shape of the cooling channel a preferred and optimal cooling of the piston is possible. Furthermore, this improves, for example, the stability of the cooling channel and thus of the piston.
  • the piston may for example consist of steel, aluminum or an aluminum alloy. Furthermore, the piston can be made in one piece or in several parts.
  • a cooling channel with contour for example a ContureKS cooling channel of KS Kolbenschmidt GmbH from Neckarsulm.
  • a cooling channel with a contour the cross section of the cooling channel varies with respect to the circumference of the piston.
  • This variable cross-section of the cooling channel with contour is formed by the fact that sliding transitions between two different height cross sections in the running and bolt directions of the piston are formed, which allows an optimal adaptation to the voltage situation of the piston.
  • the shaker effect of the cooling liquid such as engine oil
  • the heat transfer in the oscillating movement of the piston in the cylinder of the internal combustion engine is improved by greater heights of the cross-sectional profile, which also means of the shape of the cooling channel with contour a significant decrease in temperature of the piston during operation in one Internal combustion engine takes place.
  • the lathe can be operated.
  • Figure 1 a workpiece in section in a fragmentary illustrated
  • FIG. 3 shows a cutting piston in section in a side view perpendicular to the pin bore
  • Figure 4 the piston in section in side view in the direction of pin bore and Figure 5: a development of the cooling channel.
  • Figure 1 shows a workpiece 1 in a partially illustrated lathe in side view.
  • the already machined workpiece 1 is shown in section.
  • the dashed area of the workpiece 1 shows the unprocessed, that is not yet machined, workpiece 1 in the lathe before its processing on the lathe.
  • the workpiece 1 is shown in the lathe in plan view.
  • the workpiece 1 rotates at a speed n in the lathe about an axis of rotation 2.
  • a tool 3 is moved parallel to the axis of rotation 2 of the workpiece 1 in the direction of movement k of the tool 3 during one revolution of the workpiece 1 for machining the rotating at the speed n, unprocessed workpiece 1. Furthermore, the tool 3 according to FIG. 2 is moved perpendicular to the axis of rotation 2 of the workpiece 1 during machining in the direction of movement I during one rotation of the workpiece 1. During one revolution of the workpiece 1, the tool 3 is preferably moved parallel to the axis of rotation 2 during the machining of the workpiece 1.
  • the tool 3 is formed in the embodiment as a turning tool for a lathe.
  • the workpiece 1 is machined using the tool 3 of the lathe.
  • the movement of the tool 3 depends on the position of the tool 3 with respect to the position of the workpiece 1 in the lathe and the rotational speed n of the workpiece 1 during machining.
  • the peripheral speed of the workpiece 1 in the lathe increases.
  • the peripheral speed of the workpiece 1 in the lathe can be increased or decreased at a specific point of the workpiece 1 with the aid of the rotational speed n.
  • the respectively adapted movement of the tool 3 is realized in the embodiment control technology by means of the lathe.
  • the rotationally asymmetric region 4 is shown hatched flat in relation to the rotationally symmetrical region according to FIG.
  • a rotational contour has thus been produced on the workpiece 1, which has a height difference in the circumferential direction of the workpiece 1 at a constant distance from the axis of rotation 2.
  • the approximately plane, unworked workpiece surface of the workpiece 1, represented by dashed lines, ie a region of the workpiece 1 to be machined, according to FIG. 1 by means of the tool 3 has become a curved workpiece surface 5 on the lathe processed according to Figure 1 and Figure 2, which also has a rotationally asymmetric region 4 according to Figure 1 and 2.
  • FIGS. 3 and 4 show a finished piston 6 for an internal combustion engine made of steel in the exemplary embodiment.
  • the piston 6 has a cooling channel 7, a pin bore 8 passing through the piston 6, a combustion chamber trough 9 and a ring field 10.
  • the ring field 10 is completely radially around a lifting axis 12 of the piston 6 circumferentially, that is, over the entire circumference of the piston 6, is formed.
  • the lifting axis 12 of the piston 6 is the axis that passes through the piston 6 during operation in an internal combustion engine. In the embodiment according to FIG. 3 and FIG. 4, the lifting axis 12 forms one of the center axes of the piston 6.
  • the cooling channel 7 in the piston 6 is completely circumferential around the lifting axis 12 of the piston 6.
  • the integrally formed in the embodiment of the piston 6 has in the region below the ring field 10 a cooling channel plate 1 1, which closes the cooling channel 7.
  • the cooling channel 7 is cooled by means of cooling fluid, for example engine oil, and thus also the piston 6.
  • the piston 6 is clamped as a blank on a lathe, not shown in Figures 3 and 4 and machined by means of a tool, not shown in Figures 3 and 4, for example a turning tool or more different lathe tool for a lathe in which the piston 6 is rotated in the lathe and the area of the piston 6 to be machined is machined by means of the tool of the lathe.
  • the tool is moved at least parallel to the axis of rotation 2 of the piston 6 during machining of the blank workpiece in the form of the piston blank.
  • the axis of rotation 2 of the piston 6, that is to say of the workpiece is identical to the stroke axis 12 of the piston 6.
  • the tool used in the lathe for machining the piston 6 is thereby moved vertically and / or so parallel to the axis of rotation 2 of the piston 6, that the machined portion of the piston 6 rotationally asymmetric with respect to the axis of rotation 2 of the piston 6 after machining on the Lathe is formed.
  • machined areas of the piston 6 are also processed rotationally symmetrically by means of the tool.
  • the regions of the piston blank which are to be machined on the lathe can each have one of the later, finished machined shape already in the form of a precursor.
  • the combustion chamber trough 9 is already given as unprocessed trough in the piston blank, that is, the workpiece.
  • the combustion chamber trough 9 it is also possible, for example, for the combustion chamber trough 9 to be rotationally symmetrically finished in the piston blank, and this is only finished in rotationally asymmetric fashion by means of the machining on the lathe.
  • the areas of the piston blank to be machined on the lathe do not have a preshaped shape.
  • the combustion chamber trough 9 in the piston blank finished machined rotationally symmetric before machining on the lathe according to the invention.
  • the piston 6, which has been finished on the lathe has an asymmetry relative to the radial revolution about the lifting axis 12 in two regions of the cooling channel 7.
  • the cooling channel 7 is consequently incorporated rotationally asymmetrically relative to the axis of rotation 2 of the piston 6 in the piston 6 in these two areas.
  • the asymmetry can be seen in Figures 3 and 4, when comparing the positions p x i, x p2 and p y i, y P2.
  • the position x p i has a distance xi from the edge of the piston top side of the piston 6 according to FIG.
  • the position x p2 has, according to FIG. 4, a distance x 2 from the edge of the piston top side of the piston 6.
  • the position y p i has a distance yi according to FIG. 3, and the position y p2 has a distance y 2 from FIG. 4 from the central axis of the pin bore 8.
  • the piston 6 thus has in the region of its inner side in each case an asymmetry.
  • the piston 6 has an asymmetry in a region of a piston wall 13 of the piston 6 shown in FIGS. 3 and 4.
  • Such a rotationally asymmetrical with respect to the axis of rotation 2 of the piston 6 machined piston wall 13 is shown in the embodiment of Figures 3 and 4 on the inside of the piston 6.
  • the piston wall 13 has been processed rotationally asymmetrically with respect to the axis of rotation 2 of the piston 6 by cutting a region of the piston wall 13 of the piston blank according to FIG. 4 by means of the tool the position z p2 has been removed.
  • the wall thickness z 2 has been reduced at the position z p2 of the piston 6 below the combustion chamber trough 9 according to FIG.
  • FIG. 3 at the position z.sub.p.sub.i , the non-removed area with the wall thickness z.sub.i is shown.
  • FIG. 5 shows by way of example a region of the rotationally asymmetrical region of the piston 6 in a development.
  • the region between 0 ° and 180 ° in the radial direction of circulation, that is to say in the course over one half side of the piston 6, has been unwound at a constant distance from the lifting axis 12 of the piston 6.
  • the piston 6 is thus unwound in the circumferential direction of the piston 6 at a constant distance to the lifting axis 12 of the piston 6.

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Abstract

Zur spanenden Bearbeitung von zumindest einem Werkstück (1) auf einer Drehmaschine, wobei das Werkstück (1) in der Drehmaschine rotiert und der zumindest eine zu bearbeitende Bereich des Werkstücks (1) mit Hilfe zumindest eines Werkzeugs (3) der Drehmaschine bearbeitet wird, wobei das Werkzeug (3) zumindest parallel zur Drehachse (2) des Werkstücks (1) bewegt wird, wird gemäß der Erfindung das Werkzeug (3) parallel zur Drehachse (2) des Werkstücks (1) so bewegt, dass der bearbeitete Bereich des Werkstücks (1) rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse (2) des Werkstücks (1) nach der Bearbeitung ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Kühlkanal (7), eine Kolbenwand (13) und eine Brennraummulde (9) eines Kolbens (6) sowie eine Drehmaschine.

Description

B E S C H R E I B U N G
VERFAHREN UND WERKZEUGMASCHINE ZUR SPANENDEN BEARBEITUNG EINES ROTATIONSASYMMETRISCHEN BEREICHS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung von zumindest einem Werkstück auf einer Drehmaschine, wobei das Werkstück in der Drehmaschine rotiert und der zumindest eine zu bearbeitende Bereich des Werkstücks mit Hilfe zumindest eines Werkzeugs der Drehmaschine bearbeitet wird, wobei das Werkzeug zumindest parallel zur Drehachse des Werkstücks bewegt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Drehmaschine zur spanenden Bearbeitung von zumindest einem rotierenden Werkstück mittels zumindest eines Werkzeugs. Ferner betrifft die Erfindung einen Kühlkanal eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine zur Kühlung des Kolbens mittels Kühlflüssigkeit, eine Kolbenwand eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine und eine Brennraummulde eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine.
Aus der DE 10 2005 060 547 A1 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens bekannt. Mittels eines ersten Verfahrensschritts wird mit einem Drehwerkzeug eine Verbrennungsmulde mit einer umlaufenden Hinterschneidung und einem umlaufenden Muldenrand in den Kolbenboden eingedreht. In einem zweiten Verfahrensschritt wird zur Herstellung der gerundeten und scharfkantigen Muldenrandbereiche das Drehwerkzeug ausgehend vom Mittelpunkt der Verbrennungsmulde um einen definierten Betrag gradlinig radial nach außen versetzt. Der mittels dieses Verfahrens hergestellte Kolben weist eine rotationssymmetrische Verbrennungsmulde auf, deren Mittelpunkt in der Kolbenlängsachse liegt. Nachteilig bei einem solchen bekannten Verfahren zur Herstellung eines Kolbens ist, dass ausschließlich rotationssymmetrische Bereiche am Werkstück hergestellt werden können. Erst mittels eines weiteren, nachfolgenden Verfahrensschrittes ist es möglich, einen rotationsasymmetrischen Bereich am Werkstück auszubilden. Bekannte Verfahren zur Herstellung eines rotationsasymmetrischen Bereichs sind das Fräsverfahren, beispielsweise das dreidimensionale Fräsen (3D-Fräsen). Des Weiteren ist bekannt, dass ein rotationsasymmetrischer Bereich bei einem Werkstück alternativ direkt mittels eines Urformverfahrens, beispielsweise Gießen, im Rahmen der Herstellung des Werkstückrohlings mit hergestellt wird. Das Fräsenverfahren ist als nachfolgendes Verfahren aufwendig und kostenintensiv. Das Urformverfahren ist gegenüber dem Drehverfahren kompliziert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfache, kostengünstige und schnelle Bearbeitung eines Werkstücks zu ermöglichen, wobei ein Bereich des Werkstücks rotationsasymmetrisch ausgebildet sein soll.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Werkzeug parallel zur Drehachse des Werkstücks so bewegt wird, dass der bearbeitete Bereich des Werkstücks rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse des Werkstücks nach der Bearbeitung ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist, dass mittels eines einzigen Werkzeugs ein Werkstück sowohl rotationsasymmetrisch als auch rotationssymmetrisch bearbeitbar ist. Aufgrund der Zustellung des Werkzeugs parallel zur Drehachse des Werkstücks ist auch die Bearbeitung annähernd ebener Werkstückflächen möglich. Des Weiteren ist vorteilhaft, dass beliebige (rotations-)asymmetrische Formen des Werkstücks bezogen auf die Drehachse des Werkstücks im Rahmen der Herstellung des Werkstücks erzeugbar sind. Ferner ist das Verfahren kostengünstig, schnell durchführbar und einfach auf einer Drehmaschine realisierbar.
Das Werkzeug wird bevorzugt auch senkrecht zur Drehachse des Werkstücks bewegt. Die Drehachse ist dabei die Achse, um die das in der Drehmaschine eingespannte Werkstück rotiert. Die Bewegung des Werkzeugs hängt bevorzugt von der Position des Werkzeugs bezogen auf die Position des Werkstücks in der Drehmaschine und / oder von der Drehzahl des Werkstücks während der Bearbeitung, das heißt während der Drehbearbeitung, ab. Indem die Position des Werkzeugs auf die Position des Werkstücks und / oder auf die Drehzahl des Werkstücks angepasst wird, ist es folglich möglich, dass Werkstück rotationsasymmetrisch und/oder rotationssymmetrisch in Bereichen zu bearbeiten. Eine Rotationsasymmetrie ist beispielsweise dadurch möglich zu erzeugen, indem bei einem konstanten Abstand des Werkzeugs zur Drehachse des Werkstücks das Werkzeug so in Richtung Werkstück bewegt wird, dass es bezogen auf den mit einer Rotation umlaufenden Umfang unterschiedlich in Richtung Werkstück zugestellt wird, so dass sich dadurch eine Rotationsasymmetrie an der Oberfläche des Werkstücks ausbildet.
Eine Werkstückoberfläche, vorzugsweise eine etwa plane Werkstückoberfläche, wird bevorzugt mittels des Werkzeugs zu einer gewölbten Werkstückoberfläche bearbeitet. Die Wölbung der Werkstückoberfläche kann dabei in Form von einer Tropfenform, Kugelform, Eiform, Kuppenform oder dergleichen bearbeitet sein.
Es lässt sich also feststellen, dass übliche und somit nach dem Stand der Technik bekannte Drehbearbeitungen eine Bewegung des Werkzeugs in radialer Richtung des Werkstücks, das heißt senkrecht zur Drehachse des Werkstücks, und in Richtung parallel zur Drehachse des Werkstücks haben. Gemäß der Erfindung wird das Werkzeug neben diesen vorhergehend beschriebenen Bewegungsmöglichkeiten ergänzend während einer Werkstückumdrehung gesteuert in Richtung parallel zur Drehachse ausgelenkt, so dass es zur Erzeugung von Höhenunterschieden auf einer Umfangslänge des Werkstücks kommt. Es wird folglich der normalen Drehbewegung eine gesteuerte Bewegung des Werkzeugs in Werkstückvertikalachsrichtung überlagert, welche dafür sorgt, dass positionsrichtige Höhenunterschiede während einer Werkstückumdrehung realisiert werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner bevorzugten Ausgestaltungen ist es möglich, den Kühlkanal in den Kolben rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse des Kolbens einzuarbeiten. Dadurch ist es möglich, dass beim Betrieb eines solchen erfindungsgemäßen Kühlkanals in einer Brennkraftmaschine durch die rotationsasymmetrische Form des Kühlkanals eine bevorzugte und optimale Kühlung des Kolbens möglich ist. Ferner wird dadurch beispielsweise die Stabilität des Kühlkanals und somit des Kolbens verbessert.
Der Kolben kann beispielsweise aus Stahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Ferner kann der Kolben einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein.
Ferner ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner bevorzugten Ausgestaltungen möglich einen Kühlkanal mit Kontur, beispielsweise einen ContureKS-Kühlkanal der KS Kolbenschmidt GmbH aus Neckarsulm, herzustellen. Bei einem Kühlkanal mit Kontur variiert bezogen auf den Umfang des Kolbens der Querschnitt des Kühlkanals. Dieser variable Querschnitt beim Kühlkanal mit Kontur wird dadurch gebildet, dass gleitende Übergänge zwischen zwei unterschiedlich hohen Querschnitten in Lauf- und Bolzenrichtung des Kolbens gebildet werden, was eine optimale Anpassung an die Spannungssituation des Kolbens erlaubt. Ferner wird auch die Shakerwirkung der Kühlflüssigkeit, beispielsweise Motoröl, und damit der Wärmetransport bei der oszillierenden Bewegung des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine durch größere Höhen des Querschnittsprofil verbessert, wodurch auch mittels der Form des Kühlkanals mit Kontur eine deutliche Temperaturabsenkung des Kolbens im Betrieb in einer Brennkraftmaschine erfolgt.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner bevorzugten Ausgestaltungen ist es möglich, die Kolbenwand rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse des Kolbens zu bearbeiten. Dadurch ist es möglich, dass es zu einer Gewichtsreduzierung des Kolbens, zu einer Steifigkeitsoptimierung der Kolbenwand, zu einer besseren Stabilität des Kolbens und zu einem optimierten Temperaturverhalten während des Betriebs des Kolbens in einer Brennkraftmaschine kommt.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner bevorzugten Ausgestaltungen ist es möglich, die Brennraummulde rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse des Kolbens in den Kolben einzuarbeiten. Dadurch ist es möglich, dass das in Richtung Brennraummulde eingespritzte Luft- und Kraftstoffgemisch beim Betrieb des Kolbens in einer Brennkraftmaschine unabhängig von der Position und Bewegung des Kolbens in der Brennkraftmaschine vorteilhaft vermischt wird. Es kommt somit zu einer optimalen Kraftstoffverbrennung während eines gesamten Bewegungszyklus des Kolbens in der Brennkraftmaschine.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner bevorzugten Ausgestaltungen ist die Drehmaschine betreibbar.
In den Figuren werden bevorzugte Ausgestaltungen gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigen
Figur 1 : ein Werkstück im Schnitt in einer ausschnittsweise dargestellten
Drehmaschine in Seitenansicht,
Figur 2: das Werkstück in der Drehmaschine in Draufsicht,
Figur 3: einen spanend bearbeiten Kolben im Schnitt in Seitenansicht senkrecht zur Bolzenbohrung,
Figur 4: den Kolben im Schnitt in Seitenansicht in Richtung Bolzenbohrung und Figur 5: eine Abwicklung des Kühlkanals.
Figur 1 zeigt ein Werkstücks 1 in einer ausschnittsweise dargestellten Drehmaschine in Seitenansicht. In Figur 1 ist dabei im Schnitt das schon spanend bearbeitete Werkstück 1 dargestellt. Der gestrichelt dargestellte Bereich des Werkstücks 1 zeigt das unbearbeitete, das heißt noch nicht spanend bearbeitete, Werkstück 1 in der Drehmaschine vor seiner Bearbeitung auf der Drehmaschine. In Figur 2 ist das Werkstück 1 in der Drehmaschine in Draufsicht dargestellt.
Im Folgenden wird das Verfahren zur spanenden Bearbeitung des Werkstücks 1 gemäß Figur 1 und Figur 2 im Detail beschrieben. Zur spanenden Bearbeitung des in Figur 1 gestrichelt dargestellten Werkstücks 1 rotiert das Werkstück 1 mit einer Drehzahl n in der Drehmaschine um eine Drehachse 2.
Im Ausführungsbeispiel wird zur spanenden Bearbeitung des sich mit der Drehzahl n sich drehenden, unbearbeiteten Werkstücks 1 ein Werkzeug 3 parallel zur Drehachse 2 des Werkstücks 1 in Bewegungsrichtung k des Werkzeugs 3 während einer Umdrehung des Werkstücks 1 bewegt. Ferner wird das Werkzeug 3 gemäß Figur 2 senkrecht zur Drehachse 2 des Werkstücks 1 bei der Bearbeitung in Bewegungsrichtung I während einer Umdrehung des Werkstücks 1 bewegt. Bevorzugt wird während einer Umdrehung des Werkstücks 1 das Werkzeug 3 parallel zur Drehachse 2 während der spanenden Bearbeitung des Werkstücks 1 bewegt.
Das Werkzeug 3 ist im Ausführungsbeispiel als Drehmeißel für eine Drehmaschine ausgebildet.
Nachdem das Werkzeug 3 mittels Zustellung in dem zu bearbeiteten Bereich des Werkstücks 1 dieses berührt, wird mit Hilfe des Werkzeugs 3 der Drehmaschine das Werkstück 1 spanend bearbeitet. Dabei hängt die Bewegung des Werkzeugs 3 von der Position des Werkzeugs 3 bezogen auf die Position des Werkstücks 1 in der Drehmaschine und von der Drehzahl n des Werkstücks 1 während der Bearbeitung ab. Mit zunehmendem Abstand von der Drehachse 2 erhöht sich die Umfangsgeschwindigkeit des Werkstücks 1 in der Drehmaschine. Alternativ oder ergänzend lässt sich die Umfangsgeschwindigkeit des Werkstücks 1 in der Drehmaschine an einer bestimmten Stelle des Werkstücks 1 mit Hilfe der Drehzahl n erhöhen oder verringern. Die jeweils darauf angepasste Bewegung des Werkzeugs 3 wird dabei im Ausführungsbeispiel steuerungstechnisch mittels der Drehmaschine realisiert.
Mittels dieser angepassten Bewegung des Werkzeugs 3 in Bewegungsrichtungen k und I ist es möglich, dass der spanend bearbeitete Bereich des Werkstücks 1 rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse 2 des Werkstücks 1 während und nach der Bearbeitung des Werkstücks 1 ausgebildet wird. Indem das Werkzeug 3 in Bewegungsrichtung k des Werkzeugs 3 parallel zur Drehachse 2 des Werkstücks 1 und in Bewegungsrichtung I senkrecht zur Drehachse 2 des Werkstücks 1 bewegt wurde, weist das Werkstück 1 nach der Bearbeitung des Werkstücks 1 somit einen rotationsasymmetrischen Bereich 4 gemäß Figur 1 und Figur 2 auf.
Der rotationsasymmetrische Bereich 4 ist gegenüber dem rotationssymmetrischen Bereich gemäß Figur 2 flächig schraffiert dargestellt. Mittels des Werkzeugs 3 wurde somit eine Drehkontur am Werkstück 1 hergestellt, die in Umfangsrichtung des Werkstücks 1 mit konstantem Abstand zur Drehachse 2 einen Höhenunterschied aufweist.
Mittels des Verfahrens zur spanenden Bearbeitung des Werkstücks 1 auf einer Drehmaschine wurde die etwa plane, gestrichelt dargestellte unbearbeitete Werkstückoberfläche des Werkstücks 1 , das heißt ein zu bearbeitender Bereich des Werkstücks 1 , gemäß Figur 1 mittels des Werkzeugs 3 zu einer gewölbten Werkstückoberfläche 5 auf der Drehmaschine gemäß Figur 1 und Figur 2 bearbeitet, die gemäß Figur 1 und 2 auch einen rotationsasymmetrischen Bereich 4 aufweist.
Figuren 3 und 4 zeigen einen im Ausführungsbeispiel aus Stahl bestehenden fertig hergestellten Kolben 6 für eine Brennkraftmaschine. Gemäß Figuren 3 und 4 weist der Kolben 6 einen Kühlkanal 7, eine durch den Kolben 6 durchgehende Bolzenbohrung 8, eine Brennraummulde 9 und ein Ringfeld 10 auf. Das Ringfeld 10 ist dabei vollständig radial um eine Hubachse 12 des Kolbens 6 umlaufend, das heißt über den gesamten Umfang des Kolbens 6, ausgebildet. Die Hubachse 12 des Kolbens 6 ist die Achse, die der Kolben 6 beim Betrieb in einer Brennkraftmaschine durchläuft. Die Hubachse 12 bildet im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 und Figur 4 eine der Mittelachsen des Kolbens 6. Ferner ist der Kühlkanal 7 in dem Kolben 6 vollständig radial um die Hubachse 12 des Kolbens 6 umlaufend. Der im Ausführungsbeispiel einteilig ausgeführte Kolben 6 weist im Bereich unterhalb des Ringfeldes 10 ein Kühlkanalblech 1 1 auf, das den Kühlkanal 7 verschließt. Während des Betriebs des Kolbens 6 in der Brennkraftmaschine ist der Kühlkanal 7 mittels Kühlflüssigkeit, beispielsweise Motoröl, und somit auch der Kolben 6 gekühlt.
Zur Herstellung eines solchen Kolbens 6 wird der Kolben 6 als Rohteil auf eine in den Figuren 3 und 4 nicht dargestellte Drehmaschine eingespannt und mittels eines in den Figuren 3 und 4 nicht dargestellten Werkzeugs, beispielsweise eines Drehmeißels oder mehrerer unterschiedlicher Drehmeißel für eine Drehmaschine, spanend bearbeitet, wobei der Kolben 6 in der Drehmaschine rotiert und der zu bearbeitende Bereich des Kolbens 6 mit Hilfe des Werkzeugs der Drehmaschine bearbeitet wird. Dabei wird das Werkzeug bei der Bearbeitung des Werkstückrohteils in Form des Kolbenrohlings im Ausführungsbeispiel zumindest parallel zur Drehachse 2 des Kolbens 6 bewegt. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 3 und 4 ist die Drehachse 2 des Kolbens 6, das heißt des Werkstücks, identisch mit der Hubachse 12 des Kolbens 6.
Das in der Drehmaschine zur spanenden Bearbeitung des Kolbens 6 verwendete Werkzeug wird dabei so senkrecht und / oder so parallel zur Drehachse 2 des Kolbens 6 bewegt, dass der bearbeitete Bereich des Kolbens 6 rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse 2 des Kolbens 6 nach der Bearbeitung auf der Drehmaschine ausgebildet ist. Alternativ ist es möglich, dass bearbeitete Bereiche des Kolbens 6 auch rotationssymmetrisch mittels des Werkzeugs bearbeitet werden.
Die auf der Drehmaschine zu bearbeitenden Bereiche des Kolbenrohlings können dabei jeweils eine der späteren, fertig bearbeiteten Form schon vorangepasste Form aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, dass die Brennraummulde 9 schon als unbearbeitete Mulde beim Kolbenrohling, das heißt beim Werkstück, vorgegeben ist. Alternativ ist es beispielsweise auch möglich, dass die Brennraummulde 9 rotationssymmetrisch im Kolbenrohling fertig bearbeitet vorgegeben ist und diese erst mittels der spanenden Bearbeitung auf der Drehmaschine rotationsasymmetrisch fertig ausgearbeitet wird.
Alternativ ist es möglich, dass die auf der Drehmaschine zu bearbeitenden Bereiche des Kolbenrohlings keine vorangepasste Form aufweisen. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 3 und 4 ist die Brennraummulde 9 im Kolbenrohling fertig bearbeitet rotationssymmetrisch vor der Bearbeitung auf der Drehmaschine gemäß der Erfindung vorgegeben.
Gemäß den Figuren 3 und 4 weist der fertig auf der Drehmaschine bearbeitete, hergestellte Kolben 6 in zwei Bereichen des Kühlkanals 7 eine Asymmetrie bezogen auf den radialen Umlauf um die Hubachse 12 auf. Der Kühlkanal 7 ist folglich rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse 2 des Kolbens 6 in den Kolben 6 in diesen beiden Bereiche eingearbeitet. Die Asymmetrie ist in den Figuren 3 und Figur 4 beim Vergleich der Positionen xpi, xp2 und ypi, yP2 erkennbar. Die Position xpi weist einen Abstand xi von der Kante der Kolbenoberseite des Kolbens 6 gemäß Figur 3 auf. Die Position xp2 weist gemäß Figur 4 einen Abstand x2 von der Kante der Kolbenoberseite des Kolbens 6 auf. Die Position ypi weist einen Abstand yi gemäß Figur 3 und die Position yp2 weist einen Abstand y2 gemäß Figur 4 von der Mittelachse der Bolzenbohrung 8 auf. Der Kolben 6 weist somit im Bereich seiner Innenseite jeweils eine Asymmetrie auf.
Des Weiteren ist es möglich, dass der Kolben 6 eine Asymmetrie in einem Bereich einer in Figur 3 und Figur 4 dargestellten Kolbenwand 13 des Kolbens 6 aufweist. Eine solche rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse 2 des Kolbens 6 bearbeitete Kolbenwand 13 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 3 und 4 auf der Innenseite des Kolbens 6 dargestellt.
Mittels des Werkzeugs der Drehmaschine ist in dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Bereich der Kolbenwand 13 die Kolbenwand 13 rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse 2 des Kolbens 6 bearbeitet worden, indem ein Bereich der Kolbenwand 13 des Kolbenrohlings gemäß Figur 4 spanend mittels des Werkzeugs an der Position zp2 abgetragen worden ist. Mit Hilfe der Abtragung ist die Wandstärke z2 an der Position zp2 des Kolbens 6 unterhalb der Brennraummulde 9 gemäß Figur 4 verringert worden. In Figur 3 ist an der Position zpi der nicht abgetragene Bereich mit der Wandstärke zi dargestellt. Die erzeugte Asymmetrie unterhalb der Brennraummulde 9 im Innenbereich des Kolbens 6 ist beim Vergleich der Positionen zpi, zp2 in den Figuren 3 und 4 erkennbar. Ferner ist es möglich, die am Kolbenrohling im Ausführungsbeispiel vorgegebene rotationssymmetrische Brennraummulde 9 zu einer rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse 2 des Kolbens 6 ausgebildeten Brennraummulde in den Kolbenrohling einzuarbeiten. Dazu wird das Werkzeug der Drehmaschine bei drehendem Kolbenrohling parallel zur Drehachse 2 des Kolbenrohlings in Richtung Oberfläche der vorgegebenen Brennraummulde 9 so während einer Umdrehung des Kolbenrohlings bewegt, dass sich eine rotationsasymmetrische Brennraummulde nach der Bearbeitung ausbildet. Zur spanenden Bearbeitung der rotationssymmetrischen Brennraumulde 9 muss der Kolbenrohling gegebenenfalls in der Drehmaschine umgespannt werden. Eine solche rotationsasymmetrische Brennraummulde ist in den Figuren 3 und 4 nicht dargestellt.
Figur 5 zeigt beispielhaft einen Bereich des rotationsasymmetrischen Bereichs des Kolbens 6 in einer Abwicklung. Dazu ist gemäß Figur 5 der Bereich zwischen 0 ° und 180 ° in radialer Umlaufrichtung, das heißt im Verlauf über eine Halbseite des Kolbens 6, mit konstantem Abstand zur Hubachse 12 des Kolben 6 abgewickelt worden. Der Kolben 6 wird somit in Umfangsrichtung des Kolbens 6 unter konstantem Abstand zu der Hubachse 12 des Kolbens 6 abgewickelt.
Aus der Abwicklung gemäß Figur 5 wird deutlich, dass der Kolben 6 in der Abwicklung zwischen den Positionen ypi und yP2 weiter zur Position ypi im Kühlkanal 7 einen rotationsasymmetrischen Verlauf aufweist. Dabei ist der Abstand yi der Position ypi gemäß Figur 3 und der Abstand y2 der Position yp2 gemäß Figur 4 jeweils bezogen auf die Mittelachse der Bolzenbohrung 8 gemessen.
Die Positionen xp , xp2 und ypi , yP2 und zpi , zp2 gemäß dem Ausführungsbeispiel aus den Figuren 3 und 4 sind nicht auf die beispielhaft dargestellten Positionen im Kolben 6 beschränkt.
So ist es beispielsweise alternativ möglich, dass die Positionen xpi , ypi sich an der Stelle 90 ° gemäß Figur 4 und die Positionen xp2, yp2 sich an der Stelle 180 ° gemäß Figur 3 mit jeweils zugehörig spanend bearbeiteten Bereich des Kolbens 6 befinden (nicht in den Figuren 3 und 4 dargestellt). Alternativ ist es weiterhin möglich, dass die spanend bearbeiteten Bereiche an den Positionen xp , xp2 und ypi , yP2 und zpi , zp2 so bearbeitet worden sind, dass ein beliebiger von Figur 3 und Figur 4 abweichender rotationsasymmetrischer Verlauf zwischen den jeweils zueinander korrespondieren Positionen xpi , xp2 und ypi , yP2 und zpi , zp2 möglich ist (nicht in Figur 3 und Figur 4 dargestellt).
Bezugszeichenliste
1 Werkstück
2 Drehachse
3 Werkzeug
4 rotationsasymmetrischer Bereich
5 gewölbte Werkstückoberfläche
6 Kolben
7 Kühlkanal
8 Bolzenbohrung
9 Brennraummulde
10 Ringfeld
1 1 Kühlkanalblech
12 Hubachse (des Kolbens 6)
13 Kolbenwand
n Drehzahl
k Bewegungsrichtung (Werkzeug 3)
I Bewegungsrichtung (Werkzeug 3)
xpi Position (im Kolben 6)
xP2 Position (im Kolben 6)
ypi Position (im Kolben 6)
yP2 Position (im Kolben 6)
zpi Position (im Kolben 6)
zP2 Position (im Kolben 6)
xi Abstand
X2 Abstand
yi Abstand
y2 Abstand
zi Wandstärke
z2 Wandstärke

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E Verfahren und Werkzeugmaschine zur spanenden Bearbeitung
1 .
Verfahren zur spanenden Bearbeitung von zumindest einem Werkstück (1 ) auf einer Drehmaschine, wobei das Werkstück (1 ) in der Drehmaschine rotiert und der zumindest eine zu bearbeitende Bereich des Werkstücks (1 ) mit Hilfe zumindest eines Werkzeugs (3) der Drehmaschine bearbeitet wird, wobei das Werkzeug (3) zumindest parallel zur Drehachse (2) des Werkstücks (1 ) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (3) parallel zur Drehachse (2) des Werkstücks (1 ) so bewegt wird, dass der bearbeitete Bereich des Werkstücks (1 ) rotationsasymmetrisch bezog auf die Drehachse (2) des Werkstücks (1 ) nach der Bearbeitung ausgebildet ist.
2.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (3) senkrecht zur Drehachse (2) des Werkstücks (1 ) bewegt wird.
3.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Werkzeugs (3) von der Position des Werkzeugs (3) bezogen auf die Position des Werkstücks (1 ) in der Drehmaschine und/oder von der Drehzahl (n) des Werkstücks (1 ) während der Bearbeitung abhängt.
4.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkstückoberfläche, vorzugsweise eine etwa plane Werkstückoberfläche, mittels des Werkzeugs (3) zu einer gewölbten Werkstückoberfläche (5) bearbeitet wird.
5.
Kühlkanal (7) eines Kolbens (6) für eine Brennkraftmaschine zur Kühlung des Kolbens (6) mittels Kühlflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (7) mittels des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 in den Kolben (6) rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse (2) des Kolbens (6) eingearbeitet ist.
6.
Kolbenwand (13) eines Kolbens (6) für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenwand (13) mittels des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse (2) des Kolbens (6) bearbeitet ist.
7.
Brennraummulde (9) eines Kolbens (6) für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraummulde (9) rotationsasymmetrisch bezogen auf die Drehachse (2) des Kolbens (6) mittels des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 in den Kolben (6) eingearbeitet ist.
8.
Drehmaschine zur spanenden Bearbeitung von zumindest einem rotierenden Werkstück (1 ) mittels zumindest eines Werkzeugs (3) , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmaschine mittels des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 betreibbar ist.
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