DE4235408A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schleifen von unrunden Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleifen von unrun­ den Werkstücken, insbesondere von Nocken einer Nockenwelle ge­ mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiter eine Vorrichtung zum Schleifen unrunder Konturen an rotierenden Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Zum Schleifen der Nocken einer rotierenden Nockenwelle oder anderer rotierend eingespannter unrunder Werkstücke werden heute CNC-Maschinen mit einer Werkstückhalterung, in welcher die Nockenwelle um ihre Achse (C-Achse) drehbar gehalten ist, und einem Schleifkopf mit einer rotierenden Schleifscheibe, der zur Formgebung und für die Zustellbewegung in einer quer zur Werkstückachse verlaufenden Maschinenachse (X-Achse) in Abhängigkeit von der Winkellage des Werkstücks verfahrbar ge­ führt ist, eingesetzt. Um für die Schleifbearbeitung des Werk­ stücks optimale Bedingungen zu schaffen, wird die Winkelge­ schwindigkeit der Werkstückrotation so gesteuert, daß sie ei­ nem vorgegebenen Geschwindigkeitsprofil folgt. Gewöhnlich wird die Drehgeschwindigkeit in den schleiftechnisch unproblemati­ schen Bereichen des Nockengrundkreises und seiner Spitze rela­ tiv hoch und in den kritischen Flankenbereichen niedriger ge­ wählt. Damit wird jeweils ein optimaler Verlauf der Bahnge­ schwindigkeit der Kontaktzone von Werkstück und Schleifwerk­ zeug an der Werkstückkontur entlang vorgegeben. Auf diese Wei­ se kann das Zeitspanungsvolumen beim Schleifen der Nockenkon­ tur beeinflußt, insbesondere konstant gehalten werden, was gleichzeitig der Werkstückqualität und der Produktivität der Werkstückbearbeitung zugute kommt.

Dieses Vorgehen bewährt sich nur solange, wie immer nur ein Nocken oder mehrere Nocken gleicher Winkellage einer Nocken­ welle gleichzeitig bearbeitet werden. Sollen mit mehreren Werkzeugen mehrere Nocken unterschiedlicher Winkellage gleich­ zeitig geschliffen werden, kann das Werkstück nicht mehr mit einer einem bestimmten Geschwindigkeitsprofil folgenden Rota­ tionsgeschwindigkeit gedreht werden, weil die Nocken unter­ schiedlicher Winkellage kein übereinstimmendes Geschwindig­ keitsprofil zulassen. Das Werkstück wird also mit einer konstan­ ten Winkelgeschwindigkeit gedreht, deren Größe sich an dem relativ niedrigen Höchstwert in den kritischsten Flankenberei­ chen der Nocken orientiert, um qualitativ einwandfreie Ergeb­ nisse zu erzielen.

Dies betrifft insbesondere Bandschleifmaschinen zum Nocken­ schleifen, die mehrere Schleifbandeinheiten zum gleichzeitigen Bearbeiten mehrerer, insbesondere aller Nocken einer Nocken­ welle aufweisen. Eine solche Bandschleifmaschine ist beispiels­ weise in der US-PS 4 833 834 beschrieben. Dort wird eine Nockenwelle mit konstanter Drehgeschwindigkeit angetrieben, wäh­ rend die die Schleifbänder gegen die Nocken drückenden Andruck­ elemente in der X-Achse der Maschine die von den jeweiligen Winkelstellungen der Werkstücke abhängigen formgebenden Bewe­ gungen ausführen und die notwendigen Zustellbewegungen überla­ gern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art weiter zu verbes­ sern. Insbesondere soll die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Nocken einer Nockenwelle mit mehreren Werkzeugen optimiert werden.

Bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit dem im Kennzeichen des Anspruchs 1 enthaltenen Maßnahmen gelöst. Die danach vorgesehene zusätz­ liche Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück in einer zweiten Richtung, die quer zur ersten linearen Bewegungsrich­ tung und quer zur Rotationsachse des Werkstücks verläuft, er­ möglicht in sehr vorteilhafter Weise eine Beeinflussung der Bahngeschwindigkeit der Kontaktzone zwischen Werkstück und Werkzeug, mit der das Zeitspanungsvolumen entlang der Werk­ stückkontur optimiert werden kann.

Weiterführungen der Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltun­ gen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 ent­ halten. Die Ansprüche 2 bis 4 enthalten Merkmale der Steuerung der Relativbewegung von Schleifwerkzeug und Werkstück zur Be­ einflussung der Bahngeschwindigkeit der Kontaktzone entlang der Umfangsfläche des Werkstücks. Durch die Steuerung der Relativbewegung von Schleifwerkzeug und Werkstück kann die Bahngeschwindigkeit der Kontaktzone konstant gehalten werden, was gegenüber der Bearbeitung des mit konstanter Winkelge­ schwindigkeit rotierenden Werkstücks ohne die zusätzliche Ausgleichsbewegung in Richtung der zweiten Maschinenachse (Y- Achse) wegen der möglichen höheren durchschnittlichen Bahnge­ schwindigkeit der Kontaktzone einen Produktivitätszuwachs be­ wirkt. Ein weiterer Produktivitätszuwachs ergibt sich, wenn für die Bahngeschwindigkeit der Kontaktzone gemäß Anspruch 4 ein von der Winkellage des Werkstücks abhängiges Geschwindig­ keitsprofil vorgegeben wird, welches im Bereich des Grundkrei­ ses und im Bereich der Nockenspitze eine erhebliche Erhöhung der Bahngeschwindigkeit vorsieht. Dabei kann die Relativbewe­ gung von Schleifwerkzeug und Werkstück in der ersten und der zweiten Richtung so gesteuert werden, daß das Zeitspanungsvo­ lumen bei jeder Werkstückumdrehung wenigstens angenähert kon­ stant ist.

Die Maßnahmen nach Anspruch 6 ermöglichen die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer unrunder Werkstückabschnitte eines rotie­ renden Werkstücks unter separater Steuerung der Relativbewe­ gungen von Werkzeugen und Werkstücken. Diese wirken sich be­ sonders produktivitätsfördernd bei der Bearbeitung von Nocken­ wellen für Kraftfahrzeugmotoren aus. Die Ansprüche 7 und 8 be­ ziehen sich auf Optimierungen der Schleifbearbeitung durch Überwachung, Begrenzung und/oder Beeinflussung der Andruck­ kraft des Schleifwerkzeugs gegen das Werkstück. Anspruch 9 enthält eine nützliche Verfahrensmaßnahme, während Anspruch 10 die Optimierung des Feinschleifens der Werkstücke betrifft. Die Steuerung der Relativbewegung von Schleifwerkzeug und Werkstück zur Lagefixierung der Kontaktzone relativ zum Schleifwerkzeug wirkt sich positiv auf die Formgebung des Werkstücks aus.

Bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 11 enthaltenen Merkmale ge­ löst. Weiterführungen der Erfindung sowie vorteilhafte Ausge­ staltungen sind in den Unteransprüchen 12 bis 22 enthalten. Die Ansprüche 12 bis 14 enthalten Merkmale, die die Steuerung der Bewegungen des Werkstücks und des Schleifwerkzeugs und ihrer Geschwindigkeiten enthalten. Die Ansprüche 15 bis 17 geben bevorzugte Schleifwerkzeuge an. Die Ansprüche 19 bis 22 beziehen sich auf bevorzugte Merkmale einer Schleifwerkzeug­ halterung, die den Betrieb der Vorrichtung verbessern und zu einer sicheren Gewährleistung guter Schleifergebnisse führen.

Die Erfindung bietet den Vorteil eines neuen Verfahrens zum Schleifen von Nocken. Dabei ist die Möglichkeit besonders vorteilhaft, mehrere in verschiedene Winkelrichtungen orien­ tierte Nocken einer Nockenwelle gleichzeitig zu schleifen und dabei zu hohen Produktivitäten zu kommen. Durch die Steuerung der Relativbewegung von Schleifwerkzeug und Werkstück in zwei quer zueinander verlaufenden Richtungen gemäß der Erfindung wird das Geschwindigkeitsprofil der Bahngeschwindigkeit der Kontaktzone beeinflußbar und optimierbar. Dieses Geschwindig­ keitsprofil der Bahngeschwindigkeit kann so vorgegeben werden, daß das Zeitspanungsvolumen beim Umlauf des Werkstücks wenig­ stens weitgehend konstant ist. Damit werden bei höherer Lei­ stungsfähigkeit der Maschine und des Verfahrens bessere Werk­ stückqualitäten erreicht.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Bandschleifmaschine als Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung in einer schemati­ schen Seitenansicht,

Fig. 2 eine Teilansicht einer Schleifmaschine zum gleich­ zeitigen Bearbeiten zweier Nocken,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Werkstücks und des Werkzeugs im Schleifprozeß zur Erläuterung des Ver­ fahrens,

Fig. 3a bis c die Darstellung verschiedener Arbeitspositionen von Werkstück und Werkzeug relativ zueinander,

Fig. 3d ein Weg-Zeit-Diagramm der Bewegung in der Y-Achse,

Fig. 3e ein Weg-Zeit-Diagramm der Relativbewegung in der X- Achse,

Fig. 3f eine Darstellung der Bewegungsbahn des Schleifwerk­ zeugs in der X- und der Y-Achse bei einer Werkstück- Umdrehung und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Schleifwerkzeug­ trägers mit Andruckbegrenzung und Dämpfung der Ent­ lastungsbewegung.

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Bandschleifmaschine schematisch in einer Seitenansicht darge­ stellt. Auf einem Maschinenbett 1 sind einander gegenüber eine Werkstückaufnahme 2 und eine Bandschleifeinheit 3 angeordnet. Von der Werkstückaufnahme 2 ist nur der Werkstückspindelstock 4 gezeigt, während ein gegenüberliegender Reitstock und even­ tuell vorhandene Setzstöcke der besseren Übersichtlichkeit halber weggelassen sind. Die Werkstückaufnahme 2 ist mittels eines Spindeltriebs 6 in einer Längsführung 7 auf dem Maschi­ nenbett 1 in Achsrichtung eines in die Werkstückaufnahme 2 eingespannten Werkstücks 8 verfahrbar. Das Werkstück 8 liegt in Form einer Nockenwelle vor, von der in der Zeichnung eine Nocke dargestellt ist. Zur Bearbeitung wird das Werkstück 8 um seine Achse 9, die C-Achse, mittels eines mit einer Steueran­ ordnung 11 verbundenen Motors 12 gedreht. Die Drehzahl der Werkstückumdrehung wird von der Steueranordnung 11 konstant geregelt. Die aktuelle Winkellage des Werkstücks wird erfaßt und in der Steueranordnung 11 zu entsprechenden Winkelsignalen verarbeitet. Angedeutet ist dies in der Zeichnung durch die mit zwei Pfeilen versehene Verbindungslinie zwischen dem Antrieb 12 und der Steueranordnung 11.

Die Bandschleifeinheit 3 weist einen Träger 13 mit Bandfüh­ rungsrollen 14 und einer Antriebsrolle 16 auf, die von einem nichtdargestellten Motor angetrieben wird. Über die Rollen 14 und 16 läuft ein Schleifband 17 um, das über ein Stützelement 18 und eine federbelastete Spannrolle 19 geführt ist. Das Stützelement 18 drückt das Schleifband 17 mit der erforderli­ chen Schleifkraft gegen die zu schleifende Kontur des Werk­ stücks 8. Dazu ist das Stützelement 18 an einem Werkzeughal­ ter 21 angebracht, der mittels eines Antriebes 22 in einer Längsführung 23 quer, im dargestellten Fall senkrecht zur Werkstückachse (C-Achse der Maschine) in Richtung einer zwei­ ten Maschinenachse (X-Achse) verfahrbar ist. Der X-Achsenan­ trieb 22 des Werkzeughalters 21 ist mit der Steueranordnung 11 verbunden, so daß er zum Ausführen der formgebenden Bewegung des Werkzeugs 17, 18 in Abhängigkeit von der Winkellage des Werkstücks 8 steuerbar ist. Bandschleifmaschinen dieses Aufbaus sind prinzipiell bekannt, so daß bezüglich näherer Einzelheiten beispielsweise auf die US-PS 4 833 834 oder die US-PS 4 945 683 verwiesen werden kann.

Im Fall der vorliegend beschriebenen Bandschleifmaschine weist der Werkzeughalter 21 eine senkrecht zur ersten Längsführung 23 vertikal verlaufende zweite Längsführung 24 auf, welche eine zweite lineare Maschinenachse, die Y-Achse, definiert. In dieser zweiten Längsführung 24 ist das Stützelement 18 in Y- Richtung beweglich geführt. Als Antrieb dient ein Motor 26, der zur drehwinkelabhängigen Steuerung der Y-Bewegung des Werkzeugs 18 wieder mit der Steueranordnung 11 verbunden ist.

Die Steuerung der zusätzlichen Y-Bewegung des Werkzeugs 18 er­ folgt in Abstimmung mit der X-Bewegung und der Drehbewegung des Werkstücks so, daß die Bahngeschwindigkeit v der Kontakt­ zone K zwischen dem Schleifwerkzeug 17, 18 und der Oberfläche des Werkstücks 8 einem vorgegebenen Verlauf folgt, bei der vollständigen Umdrehung des Werkstücks 8 beispielsweise konstant ist. Dieser Vorgang wird später näher beschrieben.

In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer Vorrich­ tung nach der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht schematisch dargestellt. In dieser Figur sind nur die für den Schleifprozeß erforderlichen Funktionselemente einer Nocken­ schleifmaschine enthalten. Als Werkstück 8 ist ein Abschnitt einer Nockenwelle mit zwei benachbarten Nocken 8a und 8b ge­ zeigt. Mit dem Motor 12 wird die Nockenwelle in eine Umdrehung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit versetzt. Jedem der Nocken 8a und 8b ist eine Schleifeinheit 27a bzw. 27b zugeordnet, die identisch aufgebaut sind. Jede Schleifeinheit weist ein Schleifwerkzeug in Gestalt einer Schleifscheibe 28a bzw. 28 b auf. Jede Schleifscheibe 28a bzw. 28b ist an einem Werkzeughal­ ter 29 gelagert und auf einem Werkzeugträger 31 mittels eines Antriebes 32 in Richtung der X-Achse der Maschine verfahrbar. Die Drehantriebe der Schleifscheiben 28a bzw. 28b sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Antriebe 32 sind mit der Steueranordnung 11 verbunden, so daß sie in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Winkellagen der Nocken 8a und 8b separat steuerbar sind.

Die Schleifwerkzeuge 28a und 28b sind auch in dieser Ausfüh­ rungsform der Maschine in einer senkrecht zur X-Richtung verlaufenden Y-Richtung bewegbar. Dazu sind die Werkzeugträger 31 an einer Welle 33 gelagert und mittels Steuernocken 34 um die Achse der Welle 33 schwenkbar, wodurch sich die Bewegung der Schleifscheiben in Y-Richtung ergibt. Die Steuernocken 34 werden in Abhängigkeit von der Winkellage der zu bearbeiten­ den Nocken 8a und 8b von Antrieben 36 gedreht. Die Steuernocken 34 können unter entsprechendem Winkelversatz auf einer gemeinsamen Welle von einem gemeinsamen Motor 36 angetrieben sein, sie können aber auch, wie in Fig. 2 gezeigt, von sepa­ raten Motoren separat angetrieben werden, um eine individuelle Bearbeitung der Nocken 8a und 8b zu ermöglichen.

Das mit der dargestellten Vorrichtung auszuführende Schleif­ verfahren wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 3a bis f näher erläutert. Es wird davon ausgegangen, daß das Werkstück oder die zu bearbeitenden Werkstücke 8 mit konstanter Winkel­ geschwindigkeit um ihre Achse in C-Richtung rotieren. Dabei wird während eines jeden Zeitinkrements Δt ein Winkelschritt Δα zurückgelegt. In Abhängigkeit von der jeweiligen Winkelstel­ lung des Werkstücks 8 wird das Schleifwerkzeug 15 zur Erzeu­ gung der gewünschten Nockenform und für die Zustellung des Werkzeugs in den beiden Maschinenachsen X und Y bewegt. Die Bewegung des Schleifwerkzeugs 15 in den Achsen X und Y ist durch die Steueranordnung 11 so gesteuert, daß die Kontaktzo­ ne K zwischen Schleifwerkzeug und Werkstückkontur während gleicher Zeitinkremente gleiche Bahnabschnitte Δl zurücklegt. Während sich also das Werkstück 8 um einen Winkelschritt Δα dreht, bewegt sich die Kontaktzone K auf dem Werkstückumfang an der gewünschten Kontur entlang durch einen Bahnabschnitt Δl weiter.

Fig. 3a zeigt die Ausgangssituation von Werkstück 8 und Werk­ zeug 15 am Beginn einer Werkstückumdrehung. Die Kontaktzone K befindet sich an der Werkstückkontur in der Position K1. Der für die Bewegung des Werkzeugs 15 angenommene Bezugspunkt der Mittelpunkt M der Werkzeugkrümmung, befindet sich in der Null­ position P1 des Koordinatensystems der Maschinenachsen X und Y. In Fig. 3b ist das Werkstück 8 in einem Zeitintervall Δt1 um einen Winkelschritt Δα1 in Pfeilrichtung c weitergedreht, wäh­ rend das Werkzeug 15 in den Maschinenachsen X und Y so bewegt wurde, daß sich die Kontaktzone K am Werkstückumfang in der Position K2 und der Krümmungsmittelpunkt M in der Position P2 befinden. Der Abstand zwischen den Positionen K1 und K2 der Kontaktzone K ist gerade der Bahnabschnitt Δl. Nach einer wei­ teren Drehung des Werkstücks 8 um einen Winkelschritt Δα2 befin­ det sich die Kontaktzone K in der Position K3 am Umfang des Werkstücks und der Krümmungsmittelpunkt des Werkzeugs ist durch Verfahren des Werkzeugs in der X- und Y-Richtung in die Position P3 gewandert. Zwischen den Kontaktzonenpositionen K2 und K3 hat die Kontaktzone wieder den Bahnabschnitt δl zurück­ gelegt. Diese Situation ist in der Fig. 3c verdeutlicht.

Der nächste Schritt, der in Fig. 3 dargestellt ist, zeigt im einzelnen den Ablauf des erfindungsgemäß vorgeschlagenen neuen Schleifverfahrens. Ausgehend von der in Fig. 3c gezeigten re­ lativen Position von Werkstück und Schleifwerkzeug, in der sich die Kontaktzone K in der Position K3 am Umfang des Werk­ stücks befindet, wird das Werkstück 8 wieder um einen Winkel­ schritt Δα3 weitergedreht. Wäre das Schleifwerkzeug 15 nur in der X-Achse bewegbar, so würde die Kontaktzone K bei dieser Drehung Δα3 in die Position Z am Umfang des Werkstücks wandern. Das entspricht einer Position PZ des Mittelpunkts der Schleif­ werkzeugkrümmung auf der X-Achse. Der von der Kontaktzone K dabei zurückgelegte Weg ist ersichtlich größer als der vorge­ gebene Bahnabschnitt Δl. Das beruht darauf, daß sich die Bahn­ geschwindigkeit der Kontaktzone K am Umfang eines Nockens bei konstanter Winkelgeschwindigkeit des Nockens in den Flankenbe­ reichen erhöht. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dem ent­ gegengewirkt, indem der Bewegung des Werkzeugs in der X-Achse eine Korrekturbewegung in der Y-Achse überlagert wird. Während der Ausführung des Winkelschritts Δα3 wird also gleichzeitig der Krümmungsmittelpunkt M des Werkzeugs 15 zusätzlich in der Richtung der Y-Achse bewegt, so daß er am Ende des Winkel­ schritts Δα3 die Position P4 einnimmt. Damit wird die Bahnge­ schwindigkeit der Kontaktzone entlang der Umfangskontur des Werkstücks so herabgesetzt, daß die Kontaktzone am Ende des Winkelschritts Δα3 die Position K4 am Werkstück einnimmt, die von der voraufgehenden Kontaktzonenposition K3 den Abstand Δl hat. Auf diese Weise erreicht die Kontaktzone K bei der Fort­ setzung der Drehung des Werkstücks 8 in aufeinanderfolgenden Winkelschritten Δα nacheinander immer gerade die Positionen Kn (1n24) am Umfang des Werkstücks. Die Anzahl von 24 Schritten der Drehung des Werkstücks 8 ist natürlich willkürlich nur für die Beschreibung des Schleifverfahrens angegeben. In der Realität sind die Winkelschritte Δα natürlich wesentlich kleiner und damit ist die Zahl der am Umfang des Werkstücks in gleichem Abstand hintereinander folgenden Positionen der Kon­ taktzone wesentlich größer.

Fig. 3d zeigt ein Beispiel eines Zeit-Wegdiagramms der Werk­ zeugbewegung in der Y-Achse. Dabei sind in der Zeitachse des Diagramms die aufeinanderfolgenden Positionen des Krümmungs­ mittelpunktes M des Werkzeugs numeriert. Zwischen zwei solchen Positionen liegt, wie oben beschrieben, jeweils ein Zeitinter­ vall Δt konstanter Länge. Fig. 3e zeigt ein eben solches Zeit- Wegdiagramm der Werkzeugbewegung in der X-Achse. Die Diagramme in den Fig. 3d und e geben also schematisch an, wie die Steuerung der Antriebe des Werkzeugs in der X- und Y-Achse zu­ programmieren ist, um die gewünschte konstante Bahngeschwin­ digkeit der Kontaktzone an der Werkstückoberfläche zu erlangen. Fig. 3f zeigt eine Bahnkurve 37 des Bezugspunktes M eines Schleifwerkzeugs 15, das beim Bearbeiten eines Nockens 8 entsprechend dem vorgeschlagenen und beschriebenen Verfahren während einer Nockenumdrehung vom Bezugspunkt M des Schleif­ werkzeugs 15 durchlaufen wird. Dabei erreicht der Bezugspunkt M, der Mittelpunkt der Werkzeugkrümmung, die angegebenen Positionen immer dann, wenn die Kontaktzone K ihre mit den gleichen Nummern versehenen Positionen am Werkstückumfang einnimmt. In der Fig. 3f ist als Schleifwerkzeug 15 eine Schleifscheibe 28 dargestellt.

In der beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird eine konstante Bahngeschwindigkeit der Kontakt­ zone K am Umfang des Werkstücks angenommen. Vorteilhaft kann es sein, der Bahngeschwindigkeit einen bestimmten Verlauf ent­ lang dem Umfang des Werkstücks zu geben. Damit kann erreicht werden, daß das Zeitspanungsvolumen bei der Konturbearbeitung des Werkstücks konstant bleibt. In dem Falle weist die Bahngeschwindigkeit der Kontaktzone in den einzelnen Phasen der Schleifbearbeitung unterschiedliche Werte auf, was sich dann in unterschiedlich beabstandeten Kontaktzonenpositionen K1 bis Kn ausdrückt.

Den beschriebenen Ablauf der Relativbewegung von Werkstück und Werkzeug für die Formgebung der Werkstückkontur kann in be­ kannter Weise eine Zustellbewegung des Werkzeugs überlagert werden.

Es kann sich als notwendig erweisen, an das beschriebene Vor­ gehen beim Konturerzeugen des Werkstücks eine Schlichtphase anzuschließen, bei der die Oberfläche des Werkstücks feinbear­ beitet wird. In dieser Schlichtphase läßt sich die Relativbe­ wegung von Werkzeug und Werkstück in der Y-Achse der Maschine so modifizieren, daß die Kontaktzone von Werkstück und Werk­ zeug relativ zum Werkzeug ortsfest bleibt oder in einem stark begrenzten Winkelbereich des Werkzeugs erhalten bleibt. Damit kann die Formgenauigkeit der erzeugten Werkstückkontur in der Schlichtphase erhöht werden.

Das Schleifen von mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotie­ renden Nocken mit einem nur in der X-Richtung der Maschine be­ wegten Werkzeug führt im zu erwartenden Kraftverlauf zu Kraft­ spitzen beim Bearbeiten der Nockenflanken. Durch die zusätzli­ che Bewegung von Werkstück und Werkzeug relativ zueinander in der Y-Richtung der Maschine werden derartige Kraftspitzen ver­ mieden, so daß sich ein gleichmäßigeres Kraftniveau beim Ein­ griff des Schleifwerkzeugs in das Material des Werkstücks bei jedem Werkstückumlauf ergibt. Eine weitere Optimierung der Schleifbearbeitung ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren da­ durch möglich, daß die bei aufeinanderfolgenden Winkelschritten der Werkstückumdrehung von der Kontaktzone zurückzulegenden Bahnabschnitte unterschiedlich lang gewählt werden, wodurch sich am Umfang des Werkstücks ein Geschwindigkeitsprofil der Bahngeschwindigkeit der Kontaktzone ergibt. Dadurch können nicht nur die bekannten Kraftspitzen bei der Bearbeitung der Nockenflanken geglättet werden, sondern es können auch unter­ schiedliche Materialeigenschaften über dem Nockenumfang sowie unterschiedliche Materialverteilungen berücksichtigt und kom­ pensiert werden. Aus gleichmäßigeren und in Spitzenwerten nied­ rigeren Bearbeitungskräften ergeben sich Vorteile, da die Werk­ zeuge und die Werkstücke weniger hoch beansprucht werden. Diese Vorteile können auch in verkürzte Bearbeitungszeiten umgesetzt werden.

In Fig. 4 ist schematisch in einer Schnittansicht ein spezi­ eller Werkzeughalter 38 dargestellt, welcher sicherstellt, daß die Andruckkraft des Schleifwerkzeugs 15 am Werkstück in zu­ lässigen Grenzen bleibt. Der Werkzeughalter 38 ist in X-Rich­ tung verfahrbar auf einem Werkzeugträger 39 geführt, der ver­ tikal in Y-Richtung (nicht gezeigt) verfahrbar ist. Das Werk­ zeug 15, im dargestellten Fall ein Stützelement 18 für ein Schleifband 17 einer Bandschleifmaschine, wird mittels einer Spanneinrichtung 41 in seiner Schleifposition gehalten. Das Stützelement 18 weist an seinem rückwärtigen Ende einen Kol­ ben 42 auf, der in einem Zylinder 43 gegen die Kraft einer Feder 44 in X-Richtung bewegbar ist. Die Feder 44 drückt den Kolben 42 mit einer vorgegebenen Vorspannkraft gegen einen Anschlagring 46 und hält ihn dort solange fest, bis die An­ druckkraft des Werkzeugs 18 gegen ein Werkstück die Vorspann­ kraft übersteigt. In diesem Fall führt das Schleifwerkzeug 15 in X-Richtung eine Entlastungsbewegung gegen die Federkraft 44 aus. Auf diese Weise werden die Bearbeitungskräfte mit einer definierten Kraft-Weg- und Weg-Zeit-Charakteristik begrenzt.

In dem Zylinder 43 ist ein Dämpfungsmedium enthalten, das bei einer Entlastungsbewegung des Schleifwerkzeugs 15 durch eine Verbindungsleitung 54 mit einem Rückschlagventil 51 in ein Aus­ weichvolumen 49 verdrängt wird. Wird als Dämpfungsmedium eine Flüssigkeit verwendet, ist zusätzlich zu dem Ausweichbehälter ein Ausgleichsbehälter vorgesehen, der in Fig. 4 nicht darge­ stellt ist. Das Rückschlagventil 51 verhindert, daß bei nach­ lassender Bearbeitungskraft bzw. Andruckkraft des Werkzeugs 15 am Werkstück das Ausweichvolumen wieder frei in den Zylinder zurückströmt. Es muß den Weg über ein Drosselventil 48 in einer Rückflußleitung 47 nehmen. Dadurch kann die Rückstellung des Schleifwerkzeugs 15 mit begrenzter einstellbarer Geschwin­ digkeit erfolgen. Das Drosselventil 48 kann nach Art einer Endlagendämpfung in die Kolbenfläche und den Zylinder inte­ griert werden.

Alternativ oder zusätzlich zu der Spanneinrichtung 41 kann ein Druckmeßelement bzw. Kraftmeßelement 52 mit dem Schleifwerk­ zeug 15 verbunden sein, welches die Andruckkraft bzw. Bearbei­ tungskraft mißt. Dieses Druckmeßelement 52 ist mit einer Aus­ wertanordnung 53 verbunden, welche an die Maschinensteuerung 11 Signale abgibt, die den Bearbeitungsdruck des Schleifwerkzeugs 15 entsprechen. Diese Signale können beispielsweise für die Steuerung der Vorschubbewegung in X-Richtung verwendet werden, um die Bearbeitungskraft in optimalen Grenzen zu halten. Die Steuerung der Bewegung in X-Richtung in Abhängigkeit von den Druckmeßsignalen des Druckmeßelements 52 wird dabei der oben­ beschriebenen drehwinkelabhängigen Steuerung der Werkzeugbewe­ gung überlagert.

Da das vorstehend beschriebene Verfahren auf die Bearbeitung von mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotierenden Werkstücken ausgerichtet ist, eignet es sich besonders für die Anwen­ dung in Bandschleifmaschinen mit mehreren Bandeinheiten, die gleichzeitig mehrere Nocken einer Nockenwelle bearbeiten. Das Verfahren erhöht die Leistungsfähigkeit einer derartigen Band­ schleifmaschine, weil es die Erhöhung der durchschnittlichen Bahngeschwindigkeit der Kontaktzone entlang der Umfangskontur des Werkstücks und damit eine Erhöhung der Umdrehungsgeschwin­ digkeit des Werkstücks erlaubt, ohne daß die Qualität des Schleifergebnisses Einbußen erleidet. Gleichzeitig erlaubt das Verfahren eine Berücksichtigung diverser Werkstückparameter wie unterschiedliches Schleifaufmaß und unterschiedlicher Ma­ terialeigenschaften entlang dem Umfang des Werkstücks in der individuellen Steuerung der Relativbewegungen zwischen Werk­ stück und Schleifwerkzeug, so daß auch unter schwierigen Schleifbedingungen optimale Ergebnisse erzielt werden können.

Claims (23)

1. Verfahren zum Schleifen von unrunden Werkstücken, insbe­ sondere von Nocken einer Nockenwelle, bei dem das Werkstück um eine Werkstückachse gedreht wird, ein Schleifwerkzeug in einer Kontaktzone in spanabhebenden Kontakt mit einer Umfangsfläche des Werkstücks gebracht wird und das Schleifwerkzeug und das Werkstück zur Erzeugung einer gewünschten Werkstückkontur ab­ hängig von der Winkelposition des Werkstücks in einer ersten Richtung quer zur Werkstückachse relativ zueinander bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück mit im we­ sentlichen konstanter Winkelgeschwindigkeit gedreht wird und daß das Werkzeug und das Werkstück zusätzlich in einer quer zur Werkstückachse und zur ersten Richtung verlaufenden zwei­ ten Richtung relativ zueinander bewegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahngeschwindigkeit der Kontaktzone entlang der Umfangsfläche des Werkstücks durch eine Steuerung der Relativbewegung von Schleifwerkzeug und Werkstück in der ersten und der zweiten Richtung in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Werkstücks gesteu­ ert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung von Schleifwerkzeug und Werkstück in der ersten und der zweiten Richtung in Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Werkstücks im Sinne wenigstens angenähert konstanter Bahngeschwindigkeit der Kontaktzone entlang der Umfangsfläche des Werkstücks gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung von Schleifwerkzeug und Werkstück in der ersten und der zweiten Richtung in Abhängigkeit vom Dreh­ winkel des Werkstücks so gesteuert wird, daß die Kontaktzonen­ bewegung entlang der Werkstückumfangsfläche einem vorgegebenen Geschwindigkeitsprofil folgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung von Schleifwerkzeug und Werkstück in der ersten und zweiten Richtung in Abhängig­ keit von dem Drehwinkel des Werkstücks, dem Aufmaß, dem Werk­ stückmaterial und/oder weiteren Parametern im Sinne eines wenigstens angenähert konstanten Zeitspanungsvolumens gesteu­ ert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Werkstück mit mehreren axial zueinander versetzten unrunden Abschnitten mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit um seine Achse gedreht wird, daß wenigstens zwei der unrunden Werkstückabschnitte jeweils mit einem Schleifwerkzeug in spanabhebenden Kontakt gebracht werden und daß die Schleifwerkzeuge zur individuellen Beeinflussung der Geschwindigkeit der Kontaktzonenbewegung entlang den Umfangs­ flächen der Werkstücke unabhängig voneinander in der ersten und der zweiten Richtung gesteuert bewegt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Andruckkraft des Schleifwerkzeugs am Werkstück überwacht und/oder begrenzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Andruckkraft des Schleifwerkzeugs am Werkstück gemessen und ein entsprechendes Meßsignal erzeugt wird und daß die Bewegung des Schleifwerkzeugs in der ersten Richtung in Abhängigkeit von dem Meßsignal im Sinne einer Optimierung der Andruckkraft beeinflußt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der vom Drehwinkel des Werkstücks abhängigen Bewegung des Schleifwerkzeugs in der ersten Richtung eine Zu­ stellbewegung des Schleifwerkzeugs auf das Werkstück zu über­ lagert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bewegung des Schleifwerkzeugs in der zweiten Richtung wenigstens während einer Schlichtphase des Schleifprozesses in Abhängigkeit von der Winkellage des Werk­ stücks so gesteuert wird, daß die Kontaktzone relativ zum Schleifwerkzeug ortsfest oder in einem eng begrenzten Winkel­ bereich des Werkzeugs gehalten wird.

11. Vorrichtung zum Schleifen unrunder Konturen an rotie­ renden Werkstücken, insbesondere zum Schleifen der Nocken einer Nockenwelle, mit einer Werkstückaufnahme (2) mit Mitteln (4) zum bearbeitungsgerechten Halten und Drehen des Werkstücks (8) um eine erste Maschinenachse (C-Achse), einer Schleifein­ heit (3, 27a, b) mit einem umlaufenden Schleifwerkzeug (15), Drehantrieben (12, 16) für die Drehung des Werkstücks und die Umlaufbewegung des Schleifwerkzeugs, ersten, quer zur ersten Maschinenachse in Richtung einer zweiten Maschinenachse (X- Achse) verlaufenden Führungen (23), ersten Antriebsmitteln (22, 32) für die Relativbewegung von Werkstückaufnahme und Schleifwerkzeug entlang den ersten Führungen und einer Steuer­ anordnung (11), welche die Antriebe (12, 22, 32) im Sinne einer eine gewünschte Werkstückkontur erzeugenden Relativbewegung von Werkstück und Schleifwerkzeug steuernd ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Führungsmittel (24, 31, 33) für Relativbewegungen von Werkstückaufnahme (2) und Schleif­ einheit (3, 27a, b) in einer quer zur ersten und zweiten Maschi­ nenachse (C-Achse, X-Achse) verlaufenden dritten Maschinenachse (Y-Achse) vorgesehen sind, daß zweite Antriebsmittel (26, 36) zum Bewegen von Werkstückaufnahme und Schleifeinheit relativ zueinander entlang den zweiten Führungen vorgesehen sind und daß die zweiten Antriebsmittel mit der Steueranordnung (11) verbunden und separat steuerbar sind.

12. Schleifmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückdrehantrieb (12) das Werkstück (8) mit wenig­ stens angenähert konstanter Winkelgeschwindigkeit um seine Achse (C-Achse) drehend ausgebildet und gesteuert ist.

13. Schleifmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Meßmittel zum Erfassen der augenblicklichen Win­ kellage des Werkstücks (8) bei der Drehung und zum Erzeugen entsprechender Winkelsignale vorgesehen sind.

14. Schleifmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung (11) das erste und das zweite Antriebs­ mittel (22, 32; 26, 36) in Abhängigkeit von den Winkelsignalen im Sinne der Bewegung der Kontaktzone (K) von Schleifwerkzeug (15) und Werkstück (8) mit einer vorgegebenen Bahngeschwindig­ keit entlang der Umfangskontur des Werkstücks steuernd ausge­ bildet ist.

15. Schleifmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Schleifwerkzeug (15) ein über ein Stützelement (18) bewegtes Schleifband (17) vorgesehen ist.

16. Schleifmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützelement (18) in zwei quer zueinander verlaufenden Richtungen (X-Achse, Y-Achse) quer zur Drehachse (C-Achse) des Werkstücks (8) bewegbar ist.

17. Schleifmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß als Schleifwerkzeug (15) eine an einem Schleifkopf (27a, b) gelagerte rotierende Schleifscheibe (28a, b) vorgesehen ist und daß der Schleifkopf in zwei quer zueinanderverlaufenden Richtungen (X-Achse, Y-Achse) quer zur Drehachse (C-Achse) des Werkstücks (8) bewegbar ist.

18. Schleifmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die Maschinenachsen (C,X,Y) senk­ recht zueinanderverlaufen.

19. Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug (15) an einem Werk­ zeughalter (38) angeordnet ist und daß der Werkzeughalter eine Spanneinrichtung (41) zur Begrenzung der Andruckkraft des Schleifwerkzeugs am Werkstück (8) aufweist.

20. Maschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinrichtung (41) ein das Schleifwerkzeug (15) mit einer Vorspannkraft in einer vorgegebenen Position relativ zum Werkzeughalter (38) haltendes Kraftelement (44) aufweist und daß bei einer Überschreitung der Vorspannkraft durch die An­ druckkraft gegen die Vorspannkraft des Kraftelements eine Ent­ lastungsbewegung des Schleifwerkzeugs (15) relativ zum Werk­ zeughalter (38) im Sinne einer Reduzierung der Andruckkraft erfolgt.

21. Maschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (22, 43, 47, 49, 54) zum Dämpfen der Entlastungsbe­ wegung vorgesehen ist.

22. Maschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung eine Kolben-Zylinder-Einheit (42, 43) mit einem ein flüssiges oder gasförmiges Medium enthaltenden Zylindervolumen (43) aufweist, daß das Schleifwerkzeug (15) an einem Kolben (42) der Kolben-Zylinder-Einheit angeordnet und relativ zum Werkzeughalter (38) bewegbar ist, daß das Zylin­ dervolumen (43) über eine Verbindungsleitung (54) mit einem Ausweichvolumen (49) in Verbindung steht und daß bei Bewegun­ gen des Kolbens (42) infolge von Bewegungen des Werkzeugs (15) relativ zum Werkzeughalter (38) Dämpfungsmedium aus dem Zylin­ dervolumen in das Ausweichvolumen verdrängt wird und umgekehrt.

23. Maschine nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung der C-Achse des Werkstücks (8) nebeneinander mehrere Schleifeinheiten (3, 27) angeordnet sind und daß die Schleifwerkzeuge (15) der Schleifeinheiten zum gleichzeitigen Schleifen mehrerer Werkstückabschnitte (8a, 8b) eines Werkstücks (8) in Abhängigkeit von der Winkellage der Werkstückabschnitte im Sinne jeweils vorgegebener Kontaktzo­ nenbewegungen am Werkstückumfang gleichzeitig separat in den Maschinenachsen X und Y bewegbar sind.