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Dokumentenidentifikation DE3434175C2 04.01.1990
Titel Werkzeugmaschine zum Bearbeiten von Kolbenrohlingen
Anmelder AE PLC, Rugby, Warwickshire, GB
Erfinder Slee, Roger Harvey, Isobel Percy Estate, Warwick, GB
Vertreter Stenger, A., Dipl.-Ing.; Watzke, W., Dipl.-Ing.; Ring, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 4000 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 18.09.1984
DE-Aktenzeichen 3434175
Offenlegungstag 04.04.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.01.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.01.1990
IPC-Hauptklasse B23B 5/24
Zusammenfassung Eine Werkzeugmaschine vom sogenannten Katzenkopf-Typ wird durch ein elektronisches Steuersystem (28, 31) derart gesteuert, daß Relativbewegungen zwischen den rotierenden Drehstählen (11, 12) und dem stationären Werkstück (22) innerhalb einer Umdrehung des Werkzeuges möglich sind, so daß nicht gleichförmige und/oder gewölbte oder ovale Konturen aus einem zylindrischen Werkstück herausarbeitbar sind. Dies ist besonders für die Hochgeschwindigkeitsproduktion von Kolben für Verbrennungsmaschinen nützlich, bei denen solche Konturen dem Kolben verbessertes Arbeiten gestatten.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zum Bearbeiten von Kolbenrohlingen mit einem nichtrotierenden Werkstückhalter für den Kolbenrohling und mit einem rotierenden, im wesentlichen zylinderförmigen Werkzeugkopf, der am einen Ende zur Aufnahme des Kolbenrohlings offen ist und der im Innern wenigstens ein radial verstellbares Werkzeug trägt, das um den Kolbenrohling herum rotiert, um diesen in einem einzigen Umlauf zu bearbeiten.

Derartige Werkzeugmaschinen haben eine Reihe von Vorteilen. So sind sie in der Lage, Vordreh- und Nachdreharbeiten an dem Werkstück in einem einzigen Arbeitsgang durchzuführen und so die Produktionsrate an fertigen Werkstücken spürbar zu vergrößern. Weil das Werkstück stationär im Werkstückhalter gehalten ist, kann das fertige Werkstück sehr schnell entfernt und durch ein neu zu bearbeitendes Werkstück ersetzt werden.

Eine Kolbenbearbeitungsmaschine der eingang angegebenen Art ist aus der DE 21 49 461 B2 bekannt. Der Kolbenrohling wird dabei mittels eines nichtrotierenden Werkstückhalters gehalten. Um diesen Kolbenrohling bearbeiten zu können, weist die Werkzeugmaschine einen rotierenden Werkzeugkopf auf, der im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist, wobei das eine Ende zur Aufnahme des Kolbenrohlings offen ist. Im Innern dieses Werkzeugkopfes sind spanabhebende Werkzeuge angeordnet, die zusammen mit dem Werkzeugkopf rotieren und den Kolbenrohling zu dessen Bearbeitung umlaufen, wobei die Bearbeitung innerhalb eines einzigen Umlaufs erfolgt. Die Werkzeuge sind dabei radial verstellbar, indem sie an verschwenkbaren Hebeln angeordnet sind. Um den Kolbenrohling mit einem bestimmten Umfangsprofil bearbeiten zu können, ist die Achse des Werkzeugkopfes gegenüber der Achse des Kolbenrohlings verschwenkbar, wobei die Verschwenkbewegung durch eine mechanische Kopplung während des Umlaufs erfolgt. Für das Längsprofil ist eine sogenannte Kopierschablone vorgesehen, die über Führungsflächen und Führungsstifte die Werkzeuge innerhalb des Werkzeugkopfes radial bewegt.

Bei dieser bekannten Werkzeugmaschine zum Bearbeiten von Kolbenrohlingen kann die Erzeugung eines bestimmten Umfangsprofils jedoch nur durch eine Relativverschwenkung zwischen den Achsen des Werkzeugkopfes einerseits und des Kolbenrohlings andererseits erzielt werden. Dadurch können nur ovale oder elliptische Umfangsprofile geschaffen werden. Kompliziertere Umfangsprofile lassen sich dadurch nicht schaffen. Darüber hinaus ist eine Veränderung des Längsprofils nur dadurch möglich, daß die Kopierschablone durch eine andere ersetzt wird, was nicht nur teuer sondern auch zeitaufwendig ist.

Aus der DE 24 27 826 B2 ist ferner bereits eine Einrichtung zum Unrunddrehen durch Kopieren für numerisch gesteuerte Drehmaschinen bekannt. Dabei ist jedoch das zu bearbeitende Werkstück drehbar gelagert, während das Werkzeug in Form eines Meißels mit entsprechenden Schlitten in einer Ebene derart verschiebbar ist, daß aus dem Werkstück das entsprechende Profil herausgearbeitet wird. Die Steuerung des Werkzeugs und dabei der Schlitten erfolgt mittels einer elektronischen Steuereinrichtung.

Aus der DD-PS 1 04 223 ist weiterhin ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Drehen von Werkstücken mit balliger und/oder ovaler Mantelfläche bekannt, wobei die Werkzeugbewegung zum Bearbeiten der Werkstücke rechnergesteuert ist.

Aus der DE-OS 12 68 936 ist schließlich auch eine Kopiereinrichtung zum spanabhebenden Bearbeiten von Drehkörpern bekannt, bei der ein rotierender Kolbenrohling mittels eines Werkzeugs spanabhebend bearbeitet wird, wobei das Werkzeug mit seinem stabförmigen Schaft vor und zurück bewegbar ist. Zu diesem Zweck dient eine den Stab umgebende Erregerspule, so daß mittels eines zusätzlichen Joches eine magnetische Brücke geschaffen ist, die bei Anlegen einer Spannung an die Erregerspule das Werkzeug vor bzw. zurück bewegt, wobei die jeweilige Position durch die Größe der angelegten Spannung bestimmt ist.

Ausgehend von einer Werkzeugmaschine der eingangs angegebenen Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Werkzeugmaschine dahingehend weiterzuentwickeln, daß auf technisch einfache Weise die Kolbenrohlinge mit den unterschiedlichsten Profilen bearbeitet werden können.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß der Werkzeugkopf einen elektrischen Servomotor für die Radialverstellung des Werkzeugs aufweist, der mittels einer elektronischen Steuereinrichtung ansteuerbar ist.

Eine nach dieser technischen Lehre ausgebildete Werkzeugmaschine hat den Vorteil, daß auf technisch einfache Weise die Kolbenrohlinge mit den unterschiedlichsten Profilen bearbeitet werden können. Aufgrund der Tatsache, daß lediglich das Werkzeug radial verstellt wird und nicht der gesamte rotierende Werkzeugkopf, lassen sich aufgrund der geringen Massen die Verstellbewegungen sehr schnell durchführen, so daß damit eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erzielt werden kann. Vor allem aber durch den Servomotor sowie durch die elektronische Steuereinrichtung ist es möglich, die Werkzeuge variabel radial verstellen zu können, so daß lediglich durch Änderung des elektronischen Steuerprogramms ein Wechsel von einer Profilform zu einer neuen vorgenommen werden kann, ohne daß beispielsweise mechanische Teile dafür ausgewechselt werden müssen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine zum Bearbeiten von Kolbenrohlingen wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Werkzeugmaschine;

Fig. 2 einen alternativ ausgebildeten Werkzeugkopf für die Werkzeugmaschine in Fig. 1 in einer Querschnittsdarstellung.

Die dargestellte Werkzeugmaschine ist für die Bearbeitung von Kolbenrohlingen 22 gedacht, welche einen nicht gleichförmigen Querschnitt mit nicht gleichförmigen Oberflächeneigenschaften erhalten sollen, um so die Arbeitsleistung von Verbrennungsmotoren zu verbessern, in die derart bearbeitete Kolben eingebaut sind.

Die Werkzeugmaschine in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist einen Werkzeugknopf 10 von im wesentlichen zylindrischer Gestalt auf. Dieser ist an seinem einen Ende offen. Im Innern ist der Werkzeugkopf 10 mit zwei Werkzeugen 11, 12 in Form von Drehstählen ausgestattet. Diese sind in der Innenmantelfläche des Werkzeugkopfes 10 gehalten. Die Werkzeuge 11, 12 sind dabei derart angeordnet, daß das Werkzeug 11 dem offenen Ende des Werkzeugkopfes 10 am nächsten angeordnet ist und als Vordrehwerkzeug dient. Das andere, hintere Werkzeug 12 ist dann das Fertigdrehwerkzeug, so daß insgesamt die beiden Werkzeuge 11, 12das Werkstück nacheinander in einem einzigen Arbeitsgang bearbeiten. Statt dessen kann bzw. können auch nur ein einziges Werkzeug oder aber auch drei oder mehr Werkzeuge vorgesehen sein. Im Falle zweier oder mehrerer Werkzeuge kann das Nacheinanderbearbeiten bevorzugt durch umfangsmäßiges Beabstanden der Werkzeuge zusätzlich oder alternativ zum axialen Beabstanden der Werkzeuge erfolgen.

Die beiden Werkzeuge 11, 12 sind derart in den Werkzeugkopf 10 eingesetzt, daß sie in radialer Richtung bewegbar sind. Zu diesem Zweck wirkt eine drehbare, stabförmige Traverse 13 auf die äußeren Enden der Werkzeuge 11, 12. Die Traverse 13 ist dabei mit einer sie anhebenden Stellschraube, insbesondere Gewindespindel 14, eines Betätigungsorgans in Form eines Servomotors 15 wirkverbunden, dessen Steuerung nachfolgend noch näher beschrieben werden wird.

Der Werkzeugkopf 10 ist an einer rotierbaren Spindel 16 angeordnet, welche mit einer Abtriebsspindel 18 eines Antriebsmotors 19 über einen zur Rotationsachse des Werkzeugkopfes 10 angeordneten Zapfen 17 verbunden ist. Um den Werkzeugkopf 10 um den Zapfen 17 schwenken zu können, ist eine Betätigungseinrichtung 32 vorgesehen. Der Werkzeugkopf 10 sowie der Antriebsmotor 19 sind ihrerseits auf einem Vorschubschlitten 20 angeordnet und mittels eines Motors 21 in Richtung parallel zur Rotationsachse des Werkzeugkopfes 10 bewegbar, um die Werkzeuge 11, 12 in einem Arbeitsgang mit vorgegebenem Wert nach vorne zu verschieben.

Ein das Werkstück bildender Kolbenrohling 22 ist in einem Werkstückhalter 23 gehalten, welcher über einen Zapfen 24 mit einem Einspannkopf 25 verbunden ist. Der Zapfen 24 erlaubt dabei eine Schwenkbewegung zwischen dem Werkstückhalter 23 und dem Einspannkopf 25 um eine senkrecht zur Rotationsachse des Werkzeugkopfes 10 verlaufende Achse. Für die Schwenkbewegung dient eine Betätigungseinrichtung 33. Der Einspannkopf 25 ist auf einem Schlitten 26 angeordnet und parallel zur Rotationsachse des Werkzeugkopfes 10 mittels eines Motors 27 verschiebbar, um so den Kolbenrohling 22 in eine Ausgangsposition für den Bearbeitungsanfang zu bringen.

Die Werkzeugmaschine wird von einem rechnergestützten System gesteuert. Dieses System weist einen Rechner 28 auf. Dieser wird mit digitalisierten Eingangsprofildaten gefüttert, welche den geforderten Radius des Kolbenrohlings 22 in Winkelintervallen um den Umfang des Kolbenrohlings 22 herum sowie an einer Mehrzahl von axialen Orten entlang des Kolbenrohlings 22 definieren, um so die geforderte Außenkontur des Kolbenrohlings 22 vorzugeben. In der Praxis wird dabei der geforderte Radius allgemein als Abnahme von einem Ausgangsradius in Intervallen von beispielsweise 5° um den Kolbenrohling 22 herum in jeder axialen Position des Kolbenrohlings 22 festgelegt, für welche eine solche Datenfolge in Abständen von beispielsweise 0,1 oder 1 mm vorgegeben ist. Sofern der Kolbenrohling 22 bezüglich einer die Werkzeugachse einschließenden Ebene oder zweier solcher rechtwinklig zueinander angeordneten Ebenen symmetrisch ist, werden die Abnahmen vom Ausgangsradius nur alle 180° oder 90° benötigt. Der Rechner 28 erzeugt dabei aus diesen digitalisierten Daten Signale, die die vorgegebenen Relativpositionen der Werkzeuge 11, 12 sowie des Kolbenrohlings 22 zu jedem Zeitpunkt repräsentieren. Diese Signale werden im Rechner 28 gespeichert und auf den Empfang von digitalisierten Positionssignalen eines Winkelgebers 29 sowie eines Vorschubgebers 35 hin ausgegeben.

Das Ausgangssignal des Rechners 28 ist eine Folge von digitalisierten Signalen, die die augenblicklich erforderliche Werkzeugposition zum Erreichen der vorgegebenen Kolbenrohlingkontur repräsentieren. Die Ausgangssignale werden dabei von einem Steuersystem 31 empfangen, welches ein Steuersignal erzeugt, das dem Servomotor 15 mittels auf der Antriebsspindel 18 des Antriebsmotors 19 angeordneter Schleifringe 30 zugeführt wird.

Der Servomotor 15 bewegt dabei die Gewindespindel 14 in Abhängigkeit von diesen Signalen derart, daß die stabförmige Traverse 13 die erforderlichen Bewegungen der Werkzeuge 11, 12 bewirkt. Zusätzlich oder alternativ kann das Steuersystem 31 den Betätigungseinrichtungen 32, 33 Signale zum Schwenken der Spindel 16 sowie zum Schwenken des Werkstückhalters 23 um ihre jeweiligen Drehachsen der Zapfen 17, 24 aufgeben. Der Schwenkwinkel und die Schwenkdauer sind dabei so gewählt, daß die vorgegebene Werkstückkontur erhalten wird. Im allgemeinen wird die Spindel 16 geschwenkt, wenn größer dimensionierte Veränderungen in der Kontur des Kolbenrohlings 22 vorzunehmen sind. Die Werkzeuge 11, 12 werden hingegen dann betätigt, um kleiner dimensionierte Änderungen in der Kontur des Kolbenrohlings 22 vorzunehmen. Beispielsweise können die Betätigungseinrichtungen 32, 33 verwendet werden, um auf dem Kolbenrohling 22 geforderte Veränderungen in der Ovalität entlang des Kolbens oder eine geforderte Verjüngung oder Wölbung zu erzeugen.

Vorzugsweise wird der Werkzeugkopf 10 mit fünfzig Umdrehungen oder mehr pro Sekunde gedreht. Bei dieser Geschwindigkeit müssen die Relativpositionen der Werkzeuge 11, 12 und des Kolbenrohlings 22 innerhalb von Microsekunden geändert werden, um die geforderte Kolbenrohlingkontur zu erhalten. Aus diesem Grunde ist es wichtig, daß die Werkzeuge 11, 12 kleine Massen besitzen und der Servomotor 15 in der Lage ist, sehr schnell auf die Steuersignale zu reagieren. Wenn der Werkzeugkopf 10 geschwenkt wird, ist es ebenso von Vorteil, daß der Werkzeugkopf 10 eine minimale Massenträgheit besitzt. Dies gilt auch für den Werkstückhalter 23, wenn der Kolbenrohling 22 und der Werkstückhalter 23 um die Drehachse des Zapfens 24 verschwenkt werden.

Die Umsetzung der Steuersignale in Werkzeugbewegungen kann auf einer Reihe alternativer Wege durch ein beliebig gebildetes Übertragungssystem erreicht werden, welches ein elektrisches Signal in eine mechanische Bewegung umwandelt.

So können beispielsweise piezoelektrische oder magnetostriktive Effekte benutzt werden oder aber auch elektromagnetische Effekte, wie beispielsweise bei Linearmotoren und Magnetspulen, welche den Werkstückhalter 23 als bewegbare Armatur besitzen.

Ein alternativer Werkzeugkopf 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Werkzeugkopf 10 mit drei Werkzeugen 32&min;, 33&min;, 34 versehen, die um den Werkzeugkopf 10 herum winkelbeabstandet sind. Die Werkzeuge 32&min;, 33&min;, 34 sind zur Bewegung in radialer Richtung in Abhängigkeit von den Steuersignalen angeordnet. Diese Bewegung kann durch jede geeignete Betätigungseinrichtung erzeugt werden, wie beispielsweise durch Magnetspulen oder Linearmotoren. Bei diesen Betätigungseinrichtungen bilden die Werkzeughalter entsprechend bewegbare Armaturen.

Die Steuersignale können dem Werkzeugkopf 10 auch in anderer Weise als über die Schleifringe 30 zugeführt werden. So kann die Zuführung beispielsweise mittels Radiowellen oder Ultraschallwellen oder aber auch durch Lichtsignale erfolgen. Im Falle der Lichtsignale können diese dem Werkzeugkopf 10 beispielsweise durch ein faseroptisches System zugeführt werden. Alternativ kann auch zumindest ein Teil des rechnergesteuerten Steuersystems auf dem Werkzeugkopf 10 vorgesehen sein, so daß dieses zusammen mit dem Werkzeugkopf 10 rotiert. Selbstverständlich ist es nicht erforderlich, das gesamte rechnergesteuerte Steuersystem auf diese Weise unterzubringen. Vielmehr kann auch lediglich nur ein Speicher zur Speicherung später gewünschter Werkzeugpositionen und zur Ausgabe eines Steuersignales in Übereinstimmung mit den gespeicherten Signalen auf dem Werkzeugkopf 10 vorgesehen sein.

Unter bestimmten Umständen kann es auch ausreichen, lediglich das Schwenken des Kolbenrohlings 22 oder das Schwenken des Werkzeugkopfes 10 oder die radiale Bewegung der Werkzeuge 11, 12 zu steuern, um die gewünschte Kontur zu erzielen.


Anspruch[de]
  1. 1. Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung von Kolbenrohlingen (22) mit einem nichtrotierenden Werkstückhalter (23) für den Kolbenrohling (22) und

    mit einem rotierenden, im wesentlichen zylinderförmigen Werkzeugkopf (10), der am einen Ende zur Aufnahme des Kolbenrohlings (22) offen ist und der im Innern wenigstens ein radial verstellbares Werkzeug (11; 12 bzw. 32&min;; 33&min;; 34) trägt, das um den Kolbenrohling (22) herum rotiert, um diesen in einem einzigen Umlauf zu bearbeiten,

    dadurch gekennzeichnet,

    daß der Werkzeugkopf (10) einen elektrischen Servomotor (15) für die Radialverstellung des Werkzeugs (11; 12 bzw. 32&min;; 33&min;; 34) aufweist, der mittels einer elektronischen Steuereinrichtung ansteuerbar ist.
  2. 2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor (15) die Steuersignale über Schleifringe (30) erhält, die zwischen einem stationären Teil der Werkzeugmaschine und dem Werkzeugkopf (10) angeordnet sind.
  3. 3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellen des Werkzeugs (11; 12) mittels einer vom Servomotor (15) angetriebenen Gewindespindel (14) erfolgt.
  4. 4. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von zwei mit axialem Abstand angeordneten Werkzeugen (11; 12) diese gemeinsam mittels einer schwenkbaren Traverse (13) verstellt werden, an der der Servomotor (15) angreift.
  5. 5. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor (15) ein Elektromagnet ist, dessen Anker das Werkzeug (32&min;; 33&min;; 34) trägt.
  6. 6. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor (15) ein piezoelektrischer Wandler ist.
  7. 7. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor (15) ein magnetostriktiv arbeitender Motor ist.






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