-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur spanabhebenden
Oberflächenbearbeitung
einer Bohrung eines Werkstückes
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie nach dem Patentanspruch
19.
-
Bauteile
einer Brennkraftmaschine, wie etwa Zylinderkurbelgehäuse mit
Zylinderbohrungen, werden im eingebauten Zustand aufgrund von Verspannungen
oder aufgrund des Wärmeeinflusses
im Fahrzeugbetrieb deformiert. Es ist daher bekannt, die Zylinderbohrungen
eines Zylinderkurbelgehäuses
im unbelasteten Zustand mittels eines Honverfahrens, etwa Brillenhonung
oder Unrundhonung, mit einer gezielt unrunden Innenkontur als Sollform
im unverspannten Zustand (Brillenhonung) vorzuhalten. Im belasteten
Zustand der Zylinderkurbelgehäuse
ergibt sich dann die angestrebte zylindrische Innenkontur der Zylinderbohrung,
wodurch in konstruktiv einfacher Weise eine zuverlässige Abdichtung
des Brennraums am Kolbenring mit geringer Reibung herstellbar ist.
-
Aus
der
DE 40 07 121 A1 ist
eine gattungsgemäße Vorrichtung
zur Oberflächenbearbeitung
einer Werkstückbohrung
bekannt. Die Vorrichtung weist eine Antriebseinheit mit einer rotierenden
Spindel auf, an der stirnseitig ein Werkzeugträger mit einer Anzahl von Honleisten
geschraubt sind. Die Honleisten werden in Abhängigkeit von ihrer Drehposition mit
einem variierbaren Zustell druck gegen eine Bohrungswand gedrückt. Dies
erfolgt über
Steuerbacken, die gegenüber
der Spindel radial verschiebbar sind und die Honleisten gegen die
Bohrungswand drücken.
-
Das
vom Werkzeugträger
getragene Bearbeitungswerkzeug ist mit Hydraulikschaltkreisen gekoppelt,
mit deren Hilfe die Steuerbacken die Honleisten radial verstellen.
Das Bearbeitungswerkzeug und die werkzeugtragende Spindel sind daher
konstruktiv aufwendig gestaltet.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur spanabhebenden Oberflächenbearbeitung
bereitzustellen, bei dem das Bearbeitungswerkzeug konstruktiv einfach ausführbar und
in einfacher Weise sowie zeitsparend eine unrunde Bohrung erreichbar
ist.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruches
1 oder durch die Merkmale des Patentanspruches 19 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
-
Gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Anspruches 1 weist die Vorrichtung eine Verstelleinrichtung
auf, die zur Einstellung des Zustelldrucks des Bearbeitungswerkzeugs
die werkzeugtragende Spindel oder das Werkstück zumindest radial verstellt,
um eine unrunde Innenkontur der Werkstückbohrung zu erreichen. Erfindungsgemäß wird die
um eine Mittelachse rotierende Spindel zusammen mit dem Bearbeitungswerkzeug
radial verstellt, nicht jedoch das Bearbeitungswerkzeug gegenüber der
werkzeugtragenden Spindel. Dadurch kann das Bearbeitungswerkzeug
in Radialrichtung verstellfrei an der werkzeugtragenden Spindel
befestigt werden, ohne zusätzlich
Hydraulikschaltkreise zwischen der Spindel und dem Bearbeitungswerkzeug
zu schalten.
-
Bei
nicht aktivierter Verstelleinrichtung ist dabei die Mittelachse
der rotierenden, werkzeugtragenden Spindel koaxial zu einer Bohrungsachse
der Werkstückbohrung
ausgerichtet.
-
Für eine maßgenaue
Radialverstellung des Bearbeitungswerkzeugs ist es vorteilhaft,
wenn die werkzeugtragende Spindel achsparallel zu ihrer Drehachse
radial verstellt wird. Insbesondere bei nur geringfügigen Abweichungen
von einer Zylinderkontur kann die werkzeugtragende Spindel alternativ
mit Bezug zu ihrer Mittelachse in eine Taumelbewegung versetzt werden.
Die von der Zylinderform abweichenden Differenzmaße bewegen
sich dabei üblicherweise
im Mikrometerbereich.
-
In
einer Ausführungsform
kann die Verstellvorrichtung die werkzeugtragende Spindel oder das Werkstück in einer
ersten Radialrichtung und/oder in einer dazu rechtwinkligen zweiten
Radialrichtung in einer Horizontalebene verstellen, um eine unrunde Bohrung
herzustellen. Die Verstelleinrichtung kann in diesem Fall ein Kreuzschlitten
sein, an dessen Kreuztisch eine Antriebseinheit mitsamt seiner werkzeugtragenden
Spindel montiert ist. Der Kreuzschlitten kann beispielhaft mittels
eines Linearmotors, Hydraulikzylinder oder Hydraulikmotors die Radiallage der
Spindel verstellen, und zwar gesteuert durch eine entsprechende
elektronische Steuereinrichtung. Alternativ kann das Werkstück mit seiner
Bohrung auf die Verstelleinrichtung gespannt und in seiner Radiallage
verändert
werden, um eine unrunde Werkstückbohrung
zu erzielen, während
die werkzeugtragende Spindel in Radialrichtung ortsfest verbleibt.
-
Zusätzlich ist
es besonders vorteilhaft, wenn die Verstelleinrichtung auch die
Hubposition der werkzeugtragenden Spindel in der Axialrichtung der Werkstückbohrung
verstellt. Auf diese Weise können in
Achsrichtung der Bohrung unterschiedliche Bohrungsinnendurchmesser
realisiert werden. Hierbei ist es bevorzugt, wenn der Arbeitskontakt
der vom Werkzeug getragenen Werkzeugschneide in Achsrichtung annährend punktförmig ist.
-
Die
oben genannte Taumelbewegung der Spindel ergibt sich, wenn die rotierende
Spindel mit Bezug auf einen Kipppunkt, an dem die Spindel im wesentlichen
radial spielfrei drehgelagert ist, ausgelenkt wird. Die Spindel
lenkt aus, wenn sie von der Verstellvorrichtung mit einer radialen
Zustellkraft beaufschlagt wird.
-
Für eine solche
radiale Auslenkung der Spindel kann die Verstelleinrichtung zumindest
ein einstellbares Unwuchtelement aufweisen. In Abhängigkeit
von seinem Exzenterabstand zur Mittelachse der Spindel wird die
werkzeugtragende Spindel radial ausgelenkt. Bevorzugt ist das Unwuchtelement
in der Radialrichtung gegenüber
der werkzeugtragenden Spindel in Abhängigkeit von der Drehposition
des Bearbeitungswerkzeugs verstellbar, wodurch die radiale Auslenkung
der Spindel drehwinkelabhängig
steuerbar ist.
-
Das
o. g. einstellbare Unwuchtelement kann ein Unwuchtgewicht sein,
das von der werkzeugtragenden Spindel getragen wird. Das Unwuchtgewicht kann
beispielsweise mittels Hydraulik- oder Pneumatikzylinder in seiner
Radiallage gegenüber
der Mittelachse der Spindel verstellt werden, um die Unwucht der
Spindel in Abhängigkeit
vom Drehwinkel des Bearbeitungswerkzeugs einzustellen.
-
Für eine trotz
radialer Auslenkung stabile Lagerung kann die werkzeugtragende Spindel über Stützlager
radial gegen ein Spindelgehäuse
abgestützt
sein. Das Spindelgehäuse
kann hohlzylindrisch gestaltet sein und innenseitig die werkzeugtragende Spindel
abstützen.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Stützlager zwischen der Spindel
und dem Spindelgehäuse
ein Radialspiel aufweisen, das zumindest einem Zustellweg der Spindel
in Radialrichtung entspricht. Auf diese Weise werden Verspannungen
zwischen der Spindel und dem Spindelgehäuse bei der Bearbeitung vermieden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Verstelleinrichtung eine sich ringförmig um die Spindel erstreckende
Elektromagnetanordnung, mit deren Hilfe im angeregten Zustand die
Spindel radial auslenkbar ist. Die Magnetanordnung weist eine Reihe
von Elektromagneten auf, die von einer elektronischen Steuereinrichtung
in Abhängigkeit
von der Drehposition des Bearbeitungswerkzeugs angesteuert werden.
Die Magnetanordnung kann vorteilhaft berührungsfrei und damit ohne zusätzliche
Reibungskraft auf die Spindel einwirken.
-
Alternativ
kann die Verstelleinrichtung hydraulische bzw. pneumatische Druckzylinder
aufweisen, die die Spindel radial auslenken können.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
kann die rotierende Spindel außenumfangsseitig
zumindest einen Steuernocken aufweisen. Der Steuernocken wälzt sich
bei rotierender Spindel unter radialer Verstellung der Spindel an
einem zugeordneten Stellbolzen ab. Bevorzugt kann der Stellbolzen
in einem radial außenseitigen
Druckring gelagert sein, der sich gegensinnig zur werkzeugtragenden
Spindel dreht. In Abhängigkeit
von einer Drehzahl des Druckringes können unterschiedliche Innenkonturen
der Werkstückbohrung,
beispielsweise eine vierblättrige
Kleeblattform oder andere Ovalitäten,
wie etwa einen Bananenform über
die Bohrungslängsrichtung,
erzielt werden. Die Bananenform ist prinzipiell bei allen Konstruktionen
möglich;
sie ist aber nicht mit den Kreisformen (Unrundheiten) in Abhängigkeit
zu sehen, sondern separat als Form entlang der Bohrungsachse.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
kann die werkzeugtragende Spindel zumindest ein Abtastmittel aufweisen,
das eine Sollkontur abtastet und in Abhängigkeit von der Sollkontur
die Spindel in Radialrichtung verstellt. Die Abtastung der Sollkontur
kann in einer einfachen Ausführung
mechanisch, etwa mit Hilfe eines Abtastrades, erfolgen. Das Abtastrad kann
an der Spindel gelagert sein und sich radial gegenüberliegend
am Innenumfang einer ortsfesten Leitbüchse abrollen. Der Innenumfang
der ortsfesten Leitbüchse
stellt hierbei die Sollkontur der zu erzeugenden unrunden Werkstückbohrung
bereit.
-
In
einem Verfahren zur Erzeugung einer von der Zylinderform abweichenden
Innenkontur einer Werkstückbohrung
wird zunächst
in herkömmlicher Weise
eine Werkstückbohrung
in Zylinderform hergestellt. In einem folgenden Bearbeitungsschritt
kann, etwa mittels des Bearbeitungswerkzeugs der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die angestrebte unrunde Sollkontur in die Werkstückbohrung eingearbeitet werden.
Nachfolgend erfolgt die Feinstbearbeitung der Oberflächenstruktur
der unrunden Bohrungswandung mittels eines Honverfahrens, etwa einer
Brillenhonung oder einer Unrundhonung.
-
Nachfolgend
sind drei Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der beigefügten
Figuren beschrieben.
-
Es
zeigen:
-
1 grob
schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
-
2 in
einem Ausschnitt eine Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel;
-
3 eine
Schnittansicht entlang der Linie I-I aus der 2;
-
4 einen
Ausschnitt einer Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel;
-
5 eine
Schnittansicht entlang der Linie II-II aus der 4;
-
6 in
einem Ausschnitt eine Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel;
-
7 eine
Schnittdarstellung entlang der Linie III-III aus der 6;
und
-
8 in
einem Ausschnitt die Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel.
-
In
der 1 ist eine Bearbeitungsvorrichtung zur spanabhebenden
Bearbeitung einer Zylinderbohrung 1 eines grob angedeuteten
Zylinderkurbelgehäuses 3 gezeigt.
Die Vorrichtung weist einen Kreuzschlitten 5 auf, an dessen
unterem Kreuztisch 7 eine Antriebseinheit 9 für eine rotierende,
werkzeugtragende Spindel 11 montiert ist. Gemäß der 1 ist
an der freien Stirnseite der Spindel 11 ein Bearbeitungswerkzeug 13 ortsfest
gehaltert, wie es in der 1 grob schematisch gezeigt ist.
Die werkzeugtragende Spindel 11 rotiert dabei um eine Mittelachse 15 innerhalb
eines hohlzylindrischen Spindelgehäuses 17, das ortsfest
mit der Antriebseinheit 9 verbunden ist. Die Spindel 11 ist
innerhalb des Spindelgehäuses 17 über zwei
Spindellager 19 abgestützt,
von denen das untere Spindellager 19 in der 1 gezeigt
ist.
-
Das
hohlzylindrische Spindelgehäuse 17 ist an
seiner nach unten offenen Stirnseite mit einem flanschartig ausgeweiteten
Umfangsrand 21 versehen, der sich auf zusätzliche
Führungselemente 23 des
Kreuzschlittens 5 abstützt.
Durch die offene Stirnseite des Spindelgehäuses 17 ist berührungsfrei ein
Kegelstumpfansatz 25 des Werkzeugs 13 geführt, das
in bekannter Weise mit der Spindel 11 drehfest gekoppelt
ist. Das Werkzeug 13 trägt
an seiner dem Ansatz 25 gegenüberliegenden freien Stirnseite eine
Werkzeugschneide 27, die mit ihrer Spitze punktförmig gegen
die Bohrungswand drückt
und so die Innenkontur der Zylinderbohrung 1 bearbeiten kann.
-
Der
Kreuzschlitten 5 ist mit einer nicht dargestellten elektrischen
Steuereinrichtung in Verbindung, die den Kreuzschlitten 5 mitsamt
seiner zugeordneten Antriebseinheit 9 in einer Höhenrichtung
h vertikal sowie in einer Radialrichtung r horizontal verstellt.
-
Zur
Erzeugung einer von der Zylinderform abweichenden Innenkontur der
Zylinderbohrung 1 wird das Werkzeug 13 zunächst vertikal
in Höhenrichtung
h in die Zylinderbohrung 1 eingefahren. In Abhängigkeit
von einer Drehposition der Werkzeugschneide 27 sowie deren
Höhenposition
verschiebt die Steuereinrichtung den Kreuzschlitten 5 über einen
Zustellweg in der Radialrichtung r. Von der Größe des Zustellwegs hängt der
Zustelldruck ab, mit dem die Werkzeugschneide 27 gegen
die Bohrungswandung drückt
um die in der Steuereinrichtung gespeicherte Sollkontur auf die
Bohrungswandung der Zylinderbohrung 1 zu übertragen.
-
Aufgrund
der punktförmigen
Anlage der Werkzeugschneide 27 mit der Zylinderbohrung 1 kann
die Innenkontur der Zylinderbohrung 1 in Achsrichtung stark
variieren.
-
Nach
erfolgter Oberflächenbearbeitung durch
das Werkzeug 13 wird mittels eines Honverfahrens die Oberfläche der
unrunden Zylinderbohrung 1 feinstbearbeitet. Da in den
erfindungsgemäßen Verfahren
bereits vor dem Honverfahren eine gezielt unrunde Bohrung erhalten
ist, erfolgt durch das anschließende
Honverfahren lediglich eine Bearbeitung der Oberflächenstruktur
mit entsprechend kurzer Bearbeitungszeit, ohne die Sollform der
Innenkontur der Zylinderbohrung 1 zu verändern.
-
In
der 2 ist ausschnittsweise eine Bearbeitungsvorrichtung
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
gezeigt. Gemäß der 2 ist
die werkzeugtragende Spindel 11 hohlzylindrisch mit einer drehfest
verbundenen Umwuchtwelle ausgebildet. Die Spindel 11 ist über die
Spindellager 19 innerhalb des ortsfest angeordneten Spindelgehäuses 17 gelagert.
Die werkzeugtragende Spindel 11 ist stirnseitig mit einer
nur angedeutet dargestellten Werkzeugaufnahme ausgebildet, in der
das Werkzeug 13 mit seinem kegelstumpfförmigen Ansatz 25 eingespannt
ist.
-
Auf
der Unwuchtwelle 29 der werkzeugtragenden Spindel 11 sitzen
in Axialrichtung beabstandete Unwuchtgewichte 31. Die Unwuchtgewichte 31 sind,
wie es in der Schnittdarstellung der 3 gezeigt
ist, radial verteilt an der Unwuchtwelle 29 befestigt sowie
in Radialrichtung verstellbar angeordnet. Auf diese Weise kann ein
Exzenterabstand a zwischen dem Schwerpunkt s der Unwuchtgewichte 31 sowie
der Mittelachse 15 eingestellt und dadurch in Abhängigkeit
von der Drehposition des Werkzeugs die radiale Auslenkung der Spindel 11 mitsamt
dem Werkzeug 13 gesteuert werden.
-
Die
Spindellager 19 sind dabei mit einem Radialspiel ausgeführt, dass
eine ausreichende radiale Auslenkung der Werkzeugspindel 11 ermöglicht, ohne
dass es im Betrieb zu Verspannungen kommt. Im Unterschied zum ersten
Ausführungsbeispiel,
in welchem die Verstellung der Spindel 11 achsparallel zur
Spindeldrehachse 15 erfolgt, wird in der 2 die Spindel 11 in
konstruktiv einfacher Weise durch die Unwuchtgewichte in eine Taumelbewegung
um die Mittelachse 15 versetzt.
-
In
dem weiteren Ausführungsbeispiel
der 4 wird die Unwucht der sich um die Mittelachse 15 drehenden
werkzeugtragenden Spindel 11 mittels einer Magnetanordnung 33 erzeugt,
die gemäß der Schnittdarstellung
der 5 aus einer Reihe von Elektromagneten 35 besteht,
die ringförmig
um die Spindel 11 angeordnet sind. Durch eine entsprechende
Anregung der Elektromagnete 35 mittels der nicht gezeigten
Steuereinrichtung kann in Abhängigkeit von
der Drehposition der Spindel 11 bzw. des Bearbeitungswerkzeugs 13 eine
Magnetkraft auf die rotierende Spindel 11 ausgeübt werden,
um diese in der Radialrichtung auszulenken. Die Auslenkung der werkzeugtragenden
Spindel 11 ebenfalls in Form einer Taumelbewegung der Spindel 11 mit
Bezug auf deren Mittelachse 15.
-
Alternativ
zur Magnetanordnung 33 kann die Auslenkung der Spindel 11 auch
mittels Hydraulik- oder Pneumatikzylinder bzw. mit Hilfe von Piezoelementen
erfolgen, die in der Radialrichtung in Abhängigkeit von der Drehposition
der Spindel 11 gegen diese gedrückt werden.
-
Gemäß dem weiteren
Ausführungsbeispiel der 6 und 7 ist
die rotierende Spindel 11 außenumfangsseitig mit einem
Steuernocken 37 ausgebildet, der sich an einem Stellbolzen 39 abwälzt. Der
Stellbolzen 39 ist gemäß der 7 radial
verstellbar in einem Druckring 41 gelagert. Der Druckring 41 ist
gemäß der 6 über zwei
axial beabstandete Druckringlager in einem nicht gezeigten Spindelgehäuse abgestützt. Während der
Spanbearbeitung bewegt sich der Druckring 41 zusammen mit seinem
Stellring 39 gegensinnig zur Werkzeugdrehrichtung, wie
es in der 7 angedeutet ist. Auf diese
Weise kann in Abhängigkeit
vom Drehzahlverhältnis
zwischen dem Druckring 41 und dem Bearbeitungswerkzeug 13 die
Innenkontur der Zylinderbohrung 1 variiert werden. Durch
das Abwälzen
des spindelseitigen Nockens 37 am Stellbolzen 39 wird
die werkzeugtragende Spindel 11 mit Bezug zur Mittelachse 15 in
eine Taumelbewegung versetzt und entsprechend ausgelenkt.
-
In
der 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Bearbeitungsvorrichtung
gezeigt. Die rotierende werkzeugtragende Spindel 11 ist
mittels eines nicht dargestellten Hubmechanismus in Höhenrichtung
h verstellbar. Die Werkzeugspindel 11 ist über die
axial beabstandeten Spindellager 19 auf entsprechende Ausweichlager 43 abgestützt, die
sich wiederum am Spindelgehäuse 17 abstützen. Die
Ausweichlager 43 weisen ein Radialspiel auf, so dass sich
die Spindel 11 zusammen mit den Spindellagern 19 über einen
Zustellweg spannungsfrei in Radialrichtung verstellen kann. Zwischen
den beiden Spindellagern 19 ist eine Leitbüchse 45 angeordnet.
Die Leitbüchse
ist gegenüber
den Spindellagern 19 sowie der Spindel 11 ortsfest
im Spindelgehäuse 17 befestigt.
Die Leitbüchse 45 weist
innenumfangsseitig eine unrunde Sollkontur auf, gegen die ein Abtastrad 47 der
Spindel 11 gedrückt
ist.
-
Während der
Spanbearbeitung zur Erzeugung einer unrunden Innenkontur der Zylinderbohrung 1 wird
die werkzeugtragende Spindel 11 mit einer Vorschubgeschwindigkeit
in der Höhenrichtung
h in die Zylinderbohrung 1 eingetaucht. Währenddessen
rollt das spindelseitige Abtastrad 47 auf der Sollkontur
der Leitbüchse 47 ab.
Somit wird die Spindel 11 in Abhängigkeit von der Sollkontur
aus ihrer Mittelachse 15 radial ausgelenkt und entsprechend
die Sollkontur der Leitbüchse 45 auf
die Bohrungswand der Zylinderbohrung 1 übertragen.