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Dokumentenidentifikation DE69228796T2 21.10.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0552425
Titel Nockenachsebearbeitungsmethode und Gerät
Anmelder Unova Industrial Automation Systems, Inc., Warren, Mich., US
Erfinder Goszczynski, Allen A., Michigan 48316, US
Vertreter Patentanwälte MÜLLER & HOFFMANN, 81667 München
DE-Aktenzeichen 69228796
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 28.10.1992
EP-Aktenzeichen 921184545
EP-Offenlegungsdatum 28.07.1993
EP date of grant 31.03.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.10.1999
IPC-Hauptklasse B23B 39/16
IPC-Nebenklasse B23B 41/12   B23D 77/04   

Beschreibung[de]
Sachgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Bohren von Löchern in ein Werkstück und insbesondere ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Werkzeug zum Bohren von Nockenwellenlagerungen in den Zylinderköpfen und Motorblöcken von Verbrennungsmotoren.

Hintergrund der Erfindung

Bei der modernen Gestaltung von Automobilantrieben werden die Teile mit immer engeren und dichteren Toleranzen bearbeitet, um den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit der Motoren zu verbessern. Bei der Bearbeitung von Motorblöcken und Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren muß ein Bohr- oder Räumvorgang durchgeführt werden, um zwei oder mehr Nockenwellen-Lagerbohrungen zu erzeugen, die als lasttragende Oberflächen für eine rotierende Nockenwelle dienen. Häufig arbeiten zwei Horizontalbohrwerke in Tandemanordnung um die Lager sowohl für die Einlaß- als auch für die Auslaßnockenwelle nahezu gleichzeitig zu bohren.

Eine dem Stand der Technik angehörende, allgemein bekannte Bohrmaschine zur Erzeugung von Lagerbohrungen für Nockenwellen besitzt eine Antriebsspindel und einen Schlitten, um eine im allgemeinen zylindrische Bohrstange in Rotation zu versetzen und in Längsrichtung hin und her zu bewegen. Die Bohrstange besitzt eine Mehrzahl von Schneideinsätzen, die in Längsrichtung um den Abstand zwischen den Nockenwellenlagern gegeneinander versetzt sind, um gleichzeitig alle Lagerstellen konzentrisch zur Rotationsachse der Bohrstange zu bohren.

Um eine Reihe von Nockenwellenlagerungen in einem Zylinderkopf zu bohren, wird der Zylinderkopf in eine Arbeitsstation dieser Bohrmaschine überführt. Die Platte der Bohrmaschine wird schnell gegen das Werkstück bewegt, um die Bohrstange durch die Lagerbohrungen zu bewegen, bis sich jeder Schneideinsatz vollständig jenseits der ihm zugeordneten, zu bohrenden Lagerstelle befindet und das äußere Ende der Bohrstange drehbar von einer Stützbuchse aufgenommen wird, die das Ende der Bohrstange radial festlegt. Abhängig von der Länge der Bohrstange und der gewünschten Genauigkeit der Abmessungen der Lagerbohrungen kann eine zweite, unabhängige Stützbuchse die Bohrstange in der Nähe ihrer Mitte erfassen, um die Biegung der Bohrstange und das Rattern des Werkzeugs auf ein Minimum zu reduzieren. Das Werkstück wird dann auf Positionierelemente abgesenkt und in der Arbeitsstation festgespannt. Dadurch wird die Rotationsachse der Bohrstange fluchtend mit der Achse der zu erzeugenden Nockenwellenlagerungen ausgerichtet. Falls notwendig, werden die einzelnen Schneideinsätze auf den richtigen Bohrungsdurchmesser eingestellt. Um gleichzeitig alle Nockenwellenlager zu bohren, wird die Bohrstange durch die Spindel gedreht, während sie durch das Zurückziehen des Schlittens nach außen bewegt wird. Nach Vollendung des Bohrvorgangs wird die Rotation der Bohrstange gestoppt und die Bohrstange wird in einer vorgegebenen Stellung festgelegt oder verriegelt, um eine Drehung der Bohrstange zu verhindern und um sicherzustellen, daß sich die Bohreinsätze außer Eingriff mit dem angehobenen Werkstück befinden, damit die Schneideinsätze daran gehindert werden, an den fertig bearbeiteten Bohrungen entlang zu schrammen oder sie einzuschneiden, wenn die Bohrstange aus dem Werkstück herausgezogen wird. Um den Maschinenzyklus zu vollenden, wird das Werkstück aus der Klemmung gelöst und angehoben, die Bohrstange wird aus den Stützbuchsen entfernt und schnell in ihre Ausgangsposition zurückgezogen, worauf der bearbeitete Zylinderkopf von der Arbeitsstation weggeführt und ein anderer Zylinderkopf für die Bearbeitung in die Arbeitsstation überführt wird.

Diese dem Stand der Technik angehörende Maschine zum Bohren von Nockenwellenlagerungen leidet unter der Biegung der Bohrstange, sowie unter Vibration und Rattern der Schneidwerkzeuge, was zur Folge hat, daß die erzeugten Lagerbohrungen nach der Bearbeitung sowohl Fehler hinsichtlich der Konizität, der Konzentrizität und der Rundheit, als auch eine mangelhafte Oberflächenbeschaffenheit aufweisen. Eine ungenaue diametrale Einjustierung eines der Schneideinsätze kann zu einer Reihe von Nockenwellenlagerbohrungen führen, die mit unterschiedlichen Durchmessern und Toleranzen gebohrt sind, was vorzeitige Nockenwellen- oder Lagerfehler, übermäßige Vibration oder Schmierungsprobleme verursacht. Weil die Schneideinsätze in axialer Richtung auf der Bohrstange verteilt sind und deshalb eine ungleichmäßige Verteilung der Massen- und Schneidkräfte erzeugt wird, ist häufig eine dynamische Unwucht anzutreffen, die Vibration und Rattern der Bohrstange verursacht, und in deren Folge Fehler der Konzentrizität und Rundheitsabweichungen. Ein erhöhtes Auftreten von Rattern und eine übermäßige Bohrstangendurchbiegung ist auch zu erwarten, wenn eine lange Bohrstange in unpassender Weise radial abgestützt wird und einen wesentlich geringeren Durchmesser als den der Lagerbohrungen aufweist.

Die üblicherweise bei dieser Bohrvorrichtung anzutreffenden Probleme führen zum kostenträchtigen Verkratzen zahlreicher Zylinderköpfe oder -blöcke. Noch schlimmer ist es, wenn fehlerhaft bearbeitete und während der Fertigungskontrolle nicht entdeckte Lagerbohrungen mit Nockenwellen versehen werden und in Verbrennungsmotoren eingebaut werden, was beim Betrieb zu übermäßigen Nockenwellenvibrationen, vorzeitigen Lagerschäden oder mangelhaften oder fehlerhaften Steuerzeiten führen kann, die ihrerseits eine Verringerung der Motorleistung, der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit bewirken und die Garantie- und Reparaturkosten des Motors erhöhen.

Die CH-A-547 145 offenbart eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Bohrungen und zugeordneten ebenen Stirnflächen eines Werkstücks, mit einer Basis, einem von dieser Basis getragenen Antrieb für die Rotationsbewegung einer Bohrstange und eine relativ zur Basis hin- und hergehende Bewegung der Bohrstange, wobei die Bohrstange einen axial verlängerten Körper aufweist, der ihrem einen Ende benachbart und zur Drehung um, die Rotationsachse geeignet mit dem Antrieb verbunden ist, und wobei eine Positioniervorrichtung für das Werkstück von der Basis getragen wird und dieser Positioniervorrichtung ein Klemmmechanismus zugeordnet ist, um das Werkstück festzuspannen, wenn die Achse von dessen Bohrungen im wesentlichen mit der Rotationsachse dieser Bohrstange zusammenfällt, und wobei diesem Antrieb ein Stellglied zugeordnet ist, um einen Vorschub der Bohrstange in Richtung auf und durch das Werkstück zu erzeugen.

Die EP-A-350 389 offenbart eine Bohrstange mit einem axial verlängerten und im allgemeinen zylindrischen Körper, mit einem von diesem Körper in unmittelbarer Nachbarschaft eines seiner Enden getragenen Schneideinsatz zur Bearbeitung einer Bohrung durch eine Lagerung eines Werkstücks, wenn der Körper in Rotation gesetzt und einem Vorschub durch die Lagerung ausgesetzt wird, wobei am anderen Ende dieses Körpers Mittel vorgesehen sind, um den Körper mit einer Spindel zu kuppeln und ihn dadurch in Rotation zu versetzen und den Schneideinsatz einem Vorschub durch die Lagerung auszusetzen, und wobei eine Mehrzahl von Lagerstücken mit Abstand in Umfangsrichtung um diesen Körper verteilt sind und von diesem getragen werden.

Ein Katalog der Firma HAHN & KOLB (Great Britain) Ltd. "the company for engineers", "16 valve machining technology; practical examples" der die Merkmale der Oberbegriffe der Ansprüche 1, 6 und 17 offenbart, zeigt Bohrwerkzeuge zur Bearbeitung von Lagerungen in einem Werkstück. Die Werkzeuge umfassen einen länglichen, zylindrischen Körper, einen Schneideinsatz, Verbindungsmittel und eine Mehrzahl von Lagerstücken, die sich von einem dem einen Ende dieses Körpers benachbarten Bereich ausgehend in Längsrichtung über eine so ausreichende Entfernung erstrecken, daß, wenn dieses Schneideinsatz jede Lagerung in der Reihe bearbeitet, diese Lagerstücke zumindest von einer Lagerung aufgenommen werden, die der durch den Schneideinsatz bearbeiteten Lagerung unmittelbar vorangeht. Am anderen Ende wird das Werkzeug durch eine Spindel angetrieben.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung schafft ein Verfahren, eine Maschine und ein Werkzeug nach den Ansprüchen 1, 6 und 17 zum Bohren einer Reihe von konzentrischen Nockenwellenlagern in einem Zylinderkopf oder Block durch Verwendung einer oder mehrerer vorher gebohrter Lagerungen zur Stützung und Führung des Bohrwerkzeugs bei der Bearbeitung der nächstfolgenden Lagerung. Die Bohrstange weist ein Schneidwerkzeug zum Bohren aller Lagerungen und zwei oder mehr in Umfangsrichtung mit Abstand voneinander angeordnete und sich in Längsrichtung erstreckende Lagerstücke auf, die die Bohrstange radial festlegen und sie in einer oder mehreren der bearbeiteten Lagerungen abstützen, um die Bohrstange beim Bohren der nächsten Lagerung genau zu führen. Vorzugsweise tritt eine Bohr- und Kühlflüssigkeit über Öffnungen aus, die sich in der Bohrstange in der Nähe des Schneidwerkzeugs und der Lagerstücke befinden, um Hitze zu verteilen, Späne wegzuspülen, Einwirkungen auf die bearbeitete Oberfläche der Lagerungen zu verhindern und die mit den bearbeiteten Oberflächen der Lagerungen in Kontakt stehenden, rotierenden Lagerstücke zu schmieren und zu kühlen.

An einer Bohrmaschine wird ein Werkstück in Form eines Zylinderkopfes oder -blockes positioniert und in einer Arbeitsstation festgespannt, worauf die rotierende Bohrstange abwechselnd rasch vorwärts und in Vorschubrichtung bewegt wird, um jedesmal eine der aufeinanderfolgenden Lagerungen zu bearbeiten. Nach der Bearbeitung der ersten Lagerung wird die Bohrstange durch die Lagerstücke ausgerichtet und zur Bearbeitung der nachfolgenden Lagerungen abgestützt, die von den vorhergehend bearbeiteten Lagerungen des Werkstücks aufgenommen werden. Während die Bohrstange die Lagerungen bearbeitet und in ihnen rotiert, wird sie mit Bohr- und Kühlflüssigkeit versorgt. Wenn alle Lagerungen einer Reihe bearbeitet sind, wird die Bohrstange schnell aus dem Werkstück zurückgezogen. Die Aufspannung des bearbeiteten Werkstücks wird gelöst und das Werkstück wird aus der Bearbeitungsstation entnommen. Ein neues Werkstück wird in die Bearbeitungsstation eingeführt, positioniert und festgespannt.

Die Aufgabenstellung, die Merkmale und die Vorteile der Erfindung dienen dazu, ein Verfahren, eine Maschine und ein Werkzeug zu schaffen, mit welchen eine Reihe von konzentrischen Nockenwellenlagerungen derart gebohrt werden kann, daß Bearbeitungsmängel weitgehend beseitigt und die Einstellung der Maschine, sowie Werkstücktransfer, -positionierung und -festspannung vereinfacht werden, wozu eine Bohrstange benutzt wird, die am einen Ende mit einem Schneidwerkzeug versehen ist, daß Stützbuchsen vermieden werden, die ein Ende und einen Zwischenbereich der Bohrstange radial festlegen, daß wirksam Durchbiegung, Vibration und Rattern der Bohrstange, sowie Fehler der Konizität, der Konzentrizität und der Rundheit bei den bearbeiteten Lagerungen beseitigt werden, daß die Oberflächenqualität verbessert wird und eine Werkzeugmaschine geschaffen wird, die kraftvoll, einfach bedienbar, robust, von langer Lebensdauer und einfacher Konstruktion ist und die wirtschaftlich herstellbar ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen dieser Erfindung werden offenbar aus der folgenden, eingehenden Beschreibung, den angefügten Ansprüchen und den begleitenden Zeichnungen. Diese zeigen in

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Nockenachsebearbeitungsmaschine, die teilweise aufgebrochen ist, um die Spindel mit der Bohrstange in voller Länge innerhalb des Zylinderkopfs zu zeigen;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Nockenachsebearbeitungsmaschine,

Fig. 3 eine Seitenansicht der Bohrstange mit einem Schneideinsatz, Lagerstücken und einem Kanal mit Auslaßöffnungen für die Bohr- und Kühlflüssigkeit;

Fig. 4 einen vergrößerten Teilschnitt nach der Linie 4-4 zur Darstellung des Schneid einsatzes und des Klemmmechanismus;

Fig. 5 einen vergrößerten Teilschnitt nach der Linie 5-5 zur Darstellung des Mechanismus zur radialen Justierung des Schneideinsatzes;

Fig. 6 einen vergrößerten Teilschnitt nach der Linie 6-6, aus der die Anordnung des Schneideinsatzes und der Lagerstücke an der Bohrstange ersichtlich ist;

Fig. 7 einen Querschnitt durch die Bohrstange nach der Linie 7-7, aus dem die Anordnung der Lagerstücke und des Kanals für die Bohr- und Kühlflüssigkeit ersichtlich ist, und

Fig. 8 einen Längsschnitt durch einen Zylinderkopf, aus dem die Führungsbuchse und die gebohrten Lagerungen ersichtlich sind, welche die Bohrstange drehbar radial einspannen und abstützen, wenn sie die folgende Nockenwellenlagerung bearbeitet.

Beschreibung der Einzelheiten

Es wird nun eingehender auf die Zeichnungen Bezug genommen. Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Werkzeugmaschine 10 und zwei nebeneinander angeordnete, erfindungsgemäße Bohrstangen 12, die dazu dienen, zwei Reihen von Lagerungen 14, 14' eines Werkstücks 16 aufzubohren, wenn dieses genau auf Positioniervorrichtungen 18 positioniert und durch eine Befestigungsvorrichtung 20 festgespannt ist, die von einer Basis 22 der Werkzeugmaschine getragen wird. Eine Reihe von Werkstücken wird durch eine geeignete Transfervorrichtung, wie z. B. eine Hub- und Fördervorrichtung 26, in eine und aus einer Arbeitsstation 24 der Werkzeugmaschine 10 bewegt. Um das Werkstück zu bearbeiten, wird jede Bohrstange 12 in Drehbewegung versetzt und nahezu gleichzeitig durch eine zugeordnete Antriebseinheit 28 in das Werkstück 16 eingeführt. Um die nebeneinander angeordneten Antriebseinheiten 28 schnell vor und zurück zu bewegen, werden sie von einem einzigen flachen Schlitten 30 getragen, der verschiebbar von an der Basis 22 befestigten Führungen 32 aufgenommen wird. Der Schlitten 30 wird in Längsrichtung durch eine Gewinderollspindel 34 hin- und herbewegt, die von einem Servomotor 36 angetrieben wird und auf der Basis 22 befestigt ist.

Jede Antriebseinheit 28 besitzt ein Futter 38, das an einer Keilwelle 40 befestigt ist, die zur gemeinsamen Rotation verschiebbar in einer komplementär gestalteten Spindel oder Hohlwelle 42 befestigt ist, sowie eine Führungsbuchse 43, die drehbar in einer Spindel 44 mit einer Führungshülse 45 gelagert ist, die auf einem am Schlitten 30 befestigten Support 46 gelagert ist. Um beide Bohrstangen 12 in Drehung zu versetzen, werden beide Spindeln 42 gleichzeitig über einen Zahnriemen 48 und Zahnriemenscheiben 50 und 52 mittels eines Elektromotors 54 angetrieben, der auf einem am Schlitten 30 befestigten Sockel 56 angebracht ist. Um die beiden Bohrstangen 12 gemeinsam in axialer Richtung vor und zurück zu bewegen, sind die Keilwellen 40 in einem Gehäuse 58 gelagert, um sich in diesem drehen und mit diesem in Längsrichtung bewegen zu können, wobei das Gehäuse 58 an einem gemeinsamen Schlitten 60 befestigt ist, der in einer zur Ausführung von Längsbewegungen geeigneten Weise von Führungen 62 aufgenommen ist, die am Schlitten 30 befestigt sind. Der Schlitten 60 und somit beide Bohrstangen 12 werden relativ zu jeder Spindel 44 vor und zurück bewegt durch eine Ge winderollspindelanordnung 64, die durch einen Servomotor 66 antreibbar ist und auf einem am Schlitten 30 befestigten Support 68 befestigt ist. Über einen (nicht gezeigten) flexiblen Schlauch werden beiden Bohrstangen 12 mit Kühlmittel versorgt. Der Schlauch ist mit einer Kupplung 70 verbunden, die mit einer (nicht gezeigten) zentralen Bohrung durch die Keilwelle 40 in Verbindung steht, die ihrerseits mit einem Strömungsmittelkanal in jeder Bohrstange 12 verbunden ist.

Die Fig. 3 zeigt eine Bohrstange 12 gemäß der Erfindung, die einen länglichen Körper 72 mit einer seinem einen Ende benachbart angeordneten Schneidvorrichtung 74, einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung Abstände voneinander aufweisenden und sich in Längsrichtung erstreckenden Lagerstücken 76 und einem am anderen Ende angeordneten und mit dem Futter 38 kompatiblen Verbindungszapfen 78 besitzt. Der Körper 72 ist eine längliche und zylindrische Stange aus Stahl, vorzugsweise aus einem Stahl, der im Handel als "Mallory" oder wärmebehandelter und gehärteter Werkzeugstahl bekannt ist. Vorzugsweise ist der Verbindungszapfen 78 von der Art, die in Verbindung mit Schnellspannfuttern, wie z. B. einem KOMET ABS-Schnellspannfutter verwendet wird.

Um jede Lagerung zu bearbeiten, besitzt die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Schneidvorrichtung 74 einen einzigen Schneideinsatz 80, der lösbar in einer Tasche 82 im Körper 72 mittels einer Klemmplatte 84 und einer Sicherungsschraube 86 befestigt ist. Der Schneideinsatz 80 kann aus Wolframkarbid bestehen und hat vorzugsweise bei der Bearbeitung von Aluminium eine polykristalline Diamantspitze, die auf einen Karbidkörper aufgelötet ist, um eine erhöhte Lebensdauer zur Verfügung zu stellen. Die Sicherungsschraube 86 besitzt einen Kopf 88 mit einer Sechskant-Inbusvertiefung, eine konzentrische Nut 90 und einen Gewindeschaft 92, der von einer mit einem komplementären Gewinde versehenen Querbohrung 94 durch den Körper 72 aufgenommen wird. Ein Sicherungsring 96 umschließt die Nut 90 in der Sicherungsschraube 86 und ist mit dem Boden der Klemmplatte 84 verlötet. Wenn die Sicherungsschraube 86 in den Körper 72 der Bohrstange 12 eingeschraubt wird, zieht sie die Klemmplatte 84 in eine feste Anlage am Schneideinsatz 80, um diesen lösbar in der Tasche 82 innerhalb der Bohrstange 12 zu befestigen.

Der Durchmesser der durch den Schneideinsatz 80 bearbeiteten Lagerbohrung kann innerhalb gewisser Grenzen verändert und eingestellt werden durch ein Paar in Längsrichtung einen Abstand voneinander aufweisender Einstellschrauben 98. Wie in Fig. 5 gezeigt, besitzt jede Einstellschraube 98 einen Kopf 100 mit einer Sechskant-Inbusvertiefung und einem Außengewinde 102, das von einer mit einem komplementären Gewinde versehenen, in Querrichtung verlaufenden Sackbohrung 104 im Körper 72 aufgenommen wird. Jede Schraube 98 hat eine exzentrische, konische Spitze 106, die einen mit der rückseitigen Kante 108 des Schneideinsatzes 80 zusammenwirkenden Nocken bildet. Um den Schneideinsatz 80 im allgemeinen radial zu verstellen und somit den Durchmesser der von ihm bearbeiteten Bohrung einzustellen, wird die Sicherungsschraube 86 gedreht, um den Einsatz 80 freizugeben, die Einstellschrauben 98 werden gedreht, um den Einsatz 80 zu verschieben, und die Sicherungsschraube 86 wird angezogen, um den Einsatz 80 in der Tasche 82 festzulegen, wobei seine rückseitige Kante 108 tragend an den Einstellschrauben 98 anliegt.

Im Betrieb zwingen die Lagerstücke 76 die Bohrstange 12 in eine bestimmte radiale Lage und stützen sie in dieser ab, während sie eine Reihe von in Längsrichtung Abstände voneinander aufweisender Lagerbohrungen 14 in einem Werkstück 16 bearbeitet. Vorzugsweise sind die Lagerstücke 76 in Umfangsrichtung des Körpers 72 mit gleichmäßigen Abständen verteilt und in sich in Längsrichtung erstreckenden Vertiefungen 110 im Körper 72 aufgenommen. Vorzugsweise sind die Lagerstücke 76 am Körper 72 durch Löten befestigt, obwohl sie auch adhäsiv in den Vertiefungen 110 befestigt oder verklebt sein können. Die Lagerstücke 76 stehen radial aus dem Körper 72 hervor und haben eine gekrümmte Umfangsfläche 112 mit einem Durchmesser, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser der durch den Schneideinsatz 80 bearbeiteten Bohrung ist und ein Zentrum hat, das mit der Rotationsachse der Bohrstange 12 zusammenfällt. Vorzugsweise ist der Durchmesser der durch den Schneideinsatz 80 bearbeiteten Bohrung nicht mehr als 0,0762 mm (0,003 inch) größer als der Durchmesser der Umfangsflächen 112 der Lagerstücke 76. Der Durchmesser der Umfangsflächen 112 kann nicht größer sein als der Durchmesser der vom Schneideinsatz 80 bearbeiteten Bohrung.

Um Lagerflächen vorzusehen, die die Bohrstange 12 stützen, während alle Lagerbohrungen 14 des Werkstücks 16 bearbeitet werden, weist jedes Lagerstück 76 vorzugsweise eine ausreichende Länge derart auf, daß es im Betrieb an der ersten, von der Bohrstange 12 bearbeiteten Lagerbohrung gelagert ist, während sie die letzte der Reihe der von der Bohrstange 12 bearbeiteten Lagerbohrungen bearbeitet. Typischerweise ist die Längserstreckung jedes Lagerstücks etwas größer als der axiale oder Längsabstand von der ersten zur letzten zu bearbeitenden Lagerbohrung 14 des Werkstücks 16. Gewöhnlich ist jedes Lagerstück 76 wenigstens halb so lang wie der Körper der Bohrstange 12. Vorzugsweise besteht jedes Lagerstück 76 aus Karbid, obwohl auch Metallkeramik, Siliziumkarbid, oder ein anderes, relativ hartes und verschleißfestes Material benutzt werden kann.

Eine Schneid- und Kühlflüssigkeit wird beiden Schneideinsätzen 80 über eine Auslaßöffnung 114 zugeführt, und den bearbeiteten Lagerbohrungen, in denen die Bohrstange rotiert, über eine Mehrzahl von Auslaßöffnungen 116, deren jede mit einem gemeinsamen Versorgungskanal 118 verbunden ist, der sich von einem Ende her in axialer Richtung in den Körper 72 der Bohrstange 12 erstreckt. Vorzugsweise sind die Auslaßöffnungen 116 in Längsrichtung mit einem Abstand verteilt, der annähernd dem Längsabstand zwischen benachbarten Nockenwellenlagerungen 14 entspricht, so daß im Betrieb die Schneidflüssigkeit gleichzeitig an alle bearbeiteten Lagerungen 14 zugeführt wird, von denen die Bohrstange 12 aufgenommen ist. Dadurch wird Schneidflüssigkeit sowohl der in Bearbeitung befindlichen Lagerung 14 zugeführt, als auch zu allen anderen Lagerungen 14, mit denen die Lagerstücke 76 in Eingriff stehen, um sie zu schmieren und zu kühlen und die bearbeiteten Flächen vor Abtragungen und Fressen zu schützen. Vorzugsweise ist jeder Auslaßöffnung 116 in der Umfangsfläche der Stange 12 ein sich nach vorn erstreckender Längskanal 120 zugeordnet, der sich im allgemeinen über den Abstand zweier Lagerungen 14 erstreckt, um die Schneidflüssigkeit gleichmäßiger über die bearbeitete Lagerung 14 zu verteilen und einen Abstand zwischen der Stange 12 und der Lagerung 14 vorzusehen, der zum Abbau des Drucks der Schneidflüssigkeit dient. Die Auslaßöffnung 114 führt Schneidflüssigkeit in der unmittelbaren Nachbarschaft der Schneidvorrichtung 74 zu, um der Einsatz 80 zu kühlen, den Spänefluß während der Bearbeitung zu verbessern, die Späne aus der bearbeiteten Lagerung zu spülen und die dem Schneidvorgang ausgesetzte Grenzfläche zu schmieren, um eine gleichmäßige, gute Oberflächenqualität zu erhalten.

Im Betrieb wird der Schneideinsatz 80 so eingestellt, daß die Bearbeitung den gewünschten Durchmesser der Lagerbohrung ergibt, und die Bohrstange 12 wird vom Futter 38 der Antriebseinheit 28 der Bohrmaschine aufgenommen. Wenn sich sowohl der Schlitten 60 als auch der Schlitten 30 in ihrer vollständig zurückgezogenen Position befinden (die in unterbrochenen Linien in Fig. 1 gezeigt ist), wird mittels der Transfervorrichtung 26 ein Werkstück 16 in Form eines Zylinderkopfs in die Arbeitsstation 24 überführt. Das Werkstück 16 wird auf den Positioniervorrichtungen 18 positioniert und durch die Befestigungsvorrichtung 20 sicher in der Arbeitsstation 24 festgespannt, derart, daß sich die Achsen der Nockenwellenlagerungen 14 im wesentlichen konzentrisch zur Rotationsachse der Bohrstange 12 erstrecken. Die Bohrstange 12 und die Antriebseinheit 28 werden durch Erregung des Servomotors 36 schnell in Richtung auf die erste Lagerung vorwärts bewegt, um den Schlitten 30 in seine in Fig. 1 gezeigte vordere Endposition zu bewegen, wodurch der Schneideinsatz 80, die Spindel 42 und die Führungshülse 43 in der unmittelbaren Nachbarschaft der ersten Lagerung 14 positioniert werden, um die ungestützte Länge der Stange 12 zwischen der Spindel 42 und dem Werkstück 16 zu minimieren. Zur Drehung der Bohrstange 12 wird der Elektromotor 54 erregt und zur Verfügungstellung der Schmierung und Kühlung wird eine Schneidflüssigkeit über die Kupplung 70 der Bohrstange 12 zugeführt und durch die Auslaßöffnungen 114 und 166 abgegeben.

Um die erste Lagerung 14 zu bearbeiten, wird durch Erregung des Servomotors 66 und den Vorschub des Schlittens 60 und damit jeder Bohrstange 12 mittels der zugeordneten Spindel 42, jede rotierende Bohrstange 12 langsam mit der für den Schnitt gewünschten Vorschubgeschwindigkeit nach vorn in das Werkstück 16 geschoben. Nach Vollendung der Bearbeitung der ersten Lagerung 14 bewirkt der Servomotor 66 abwechselnd einen schnellen und dann einen langsamen Vorschub des Schlittens 60 und damit beider Bohrstangen 12, um im wesentlichen gleichzeitig zwei Reihen von konzentrischen Nockenwellenlagerungen 14 in einem einzigen, festgespannten Werkstück zu bearbeiten. Der Servomotor 66 wird mit einer relativ hohen Geschwindigkeit für den schnellen Vorschub und einer relativ langsamen Geschwindigkeit für den langsamen, zur Bearbeitung jeder Lagerung 14 dienenden Vorschub betrieben. Anschließend kann der Positionier-, Festspann- und Bearbeitungszyklus bei einem neuen Werkstück wiederholt werden.

Wie in Fig. 8 gezeigt, wird nach der Bearbeitung der ersten Lagerung 14 im Werkstück die Bohrstange 12 durch die vorher bearbeitete Lagerung oder die vorher bearbeiteten Lagerungen zwangsweise radial festgehalten und gelagert. Dies ermöglicht es, die Nockenwellenboh rung mit engeren Toleranzen und geringeren Fehlern hinsichtlich Konzentrizität, Rundheitsabweichungen, Konizität und Durchmesser und mit verbesserter Oberflächenqualität zu bearbeiten, und zwar ohne daß der Gebrauch irgendwelcher Stützlagerungen am freien Ende und im Zwischenabschnitt der Bohrstange 12 erforderlich ist. Diese Vorteile werden unabhängig von der Anzahl der aufzubohrenden Lagerungen 14 und somit der erforderlichen Länge der Bohrstange 12 erreicht. Mit Hilfe dieser Anordnung bearbeitet der gleiche Schneideinsatz alle Lagerungen 14 und er wird immer zumindest von der unmittelbar benachbarten, vorhergehend bearbeiteten Lagerung 14 gestützt.

Es liegt auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, eine einzige Bohrstange 12 zu benutzten, die drehbar von einer einzigen Hohlwelle 42 aufgenommen und getragen wird und die durch eine einzige Spindel 42 und Führungshülse 43 mittels eines einzigen Gehäuses 58 auf einem Schlitten 60 in das Werkstück 16 eingeführt wird, um eine einzige Reihe von konzentrischen Nockenwellenlagerungen 14 in einem einzigen, festgespannten Werkstück 16 zu bearbeiten, wie einem Zylinderkopf mit einer einzigen Reihe von konzentrischen Lagerungen zur Aufnahme einer einzigen Nockenwelle, die Nocken sowohl für die Einlaß- als auch für die Auslaßventile aufweist und für Motoren mit einer einzigen, obenliegenden Nockenwelle bestimmt ist.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur maschinellen Bearbeitung einer Reihe von in Längsrichtung Abstände voneinander aufweisenden Lagerungen (14) für eine Motornockenwelle an einem Werkstück (16), umfassend:

Verwendung einer Bohrstange (12) mit einem in Achsrichtung langgestreckten Körper (72), mit einem einzigen Schneideinsatz (80), der vom Körper unmittelbar angrenzend an ein Ende des Körpers getragen wird, wobei das andere Ende des Körpers so ausgebildet und angeordnet ist, daß es von einer Antriebsspindel (42) zur Drehung der Bohrstange um eine in Längsrichtung verlaufende Rotationsachse aufgenommen werden kann, mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung Abstände voneinander aufweisenden und sich in Längsrichtung erstreckenden, vom Körper getragenen Lagerstücken (76), die sich von dem an dieses eine Ende des Körpers angrenzenden Bereich zumindest über die halbe Länge des Körpers erstrecken und gekrümmte äußere Umfangsflächen (112) aufweisen, die konzentrisch zur Rotationsachse des Bohrwerkzeugs verlaufen und einen Durchmesser aufweisen, der nicht größer ist und nur geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der vom Schneideinsatz der Bohrstange bearbeiteten Bohrung,

die Positionierung und Festspannung des Werkstücks, derart, daß die Achsen seiner zu bearbeitenden Reihe von Lagerungen im wesentlichen konzentrisch zur Rotationsachse der Bohrstange verlaufen, Drehung der Bohrstange während der Schneideinsatz einen Vorschub erfährt, der ihn nacheinander durch jede Lagerung der Reihe von Lagerungen am Werkstück bewegt, um jede dieser Lagerungen zu bearbeiten, wobei die Lagerstücke wenigstens von der unmittelbar vorher vom Schneideinsatz bearbeiteten Lagerung aufgenommen werden, um die rotierende Bohrstange in radialer Richtung festzuhalten und abzustützen, und

Zurückziehen und Herausziehen der Bohrstange aus dem Werkstück, nachdem alle Lagerungen der Reihe durch den gleichen Schneideinsatz bearbeitet worden sind, und

danach Lösen des bearbeiteten Werkstücks aus der Festspannung und Transfer des Werkstücks;

dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrstange (12) während der Drehung relativ zur Antriebsspindel (42) vorwärts bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Lagerstücke (76) so ausreichend lang sind, daß dann, wenn der Schneideinsatz (80) durch jede Lagerung (14) der Reihe zu deren Bearbeitung vorgeschoben wird, die Lagerstücke von allen vorher vom Schneideinsatz bearbeiteten Lagerungen aufgenommen werden, um die Bohrstange (12) in radialer Richtung festzuhalten und abzustützen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Stoppen der Rotation der Bohrstange (12), nachdem der Schneideinsatz (80) seinen Vorschub durch alle Lagerungen (14) der Reihe ausgeführt und sie bearbeitet hat und während die Bohrstange aus allen bearbeiteten Lagerungen zurückgezogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Bohrstange (12) abwechselnd einer schnellen Vorwärtsbewegung in Richtung auf jede Lagerung (14) und einem Vorschub in jede Lagerung (14) ausgesetzt wird, wobei die Geschwindigkeit der schnellen Vorwärtsbewegung der Bohrstange wenigstens fünfmal größer ist als die Geschwindigkeit des Vorschubs der Bohrstange zur Bearbeitung der Lagerungen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Zuführen einer Bohr- und Kühlflüssigkeit sowohl zu jeder Lagerung (14) während ihrer Bearbeitung durch den Schneideinsatz (80), als auch zu jeder vorher bearbeiteten Lagerung, in der die Lagerstücke (76) aufgenommen sind, zumindest während die Bohrstange (12) in diesen Lagerungen rotiert.

6. Durch eine Antriebsspindel (42) drehbare Bohrstange (12) zur maschinellen Bearbeitung von Lagerungen in einem Werkstück (18), umfassend:

einen im allgemeinen in axialer Richtung langgestreckten und zylindrischen Körper (72),

einen von diesem Körper unmittelbar angrenzend an eines seiner Enden getragenen Schneideinsatz (80), der so ausgebildet und angeordnet ist, daß er jeweils eine Bohrung durch eine Lagerung bearbeitet, wenn der Körper in Rotation versetzt und zu gegebener Zeit einem Vorschub durch diese Lagerungen ausgesetzt wird,

dem anderen Ende des Körpers benachbarte Verbindungsmittel (78), deren Gestaltung und Anordnung so beschaffen ist, daß sie geeignet sind zur Kupplung des Körpers mit der Spindel (40) zur Drehung dieses Körpers und zum Vorschub dieses Einsatzes zu gegebener Zeit durch jeweils eine der Lagerungen, um eine Bohrung durch jede dieser Lagerungen am Werkstück zu bearbeiten, und

eine Mehrzahl von Lagerstücken (76), die mit Abstand in Umfangsrichtung an diesem Körper angeordnet sind und von diesem getragen werden,

wobei die Bohrstange (12) vorgesehen ist zur Bearbeitung einer Reihe von in Längsrichtung mit Abstand voneinander angeordnete Lagerungen (14) für eine Motornockenwelle, und wobei sich jedes Lagerstück (76) in Längsrichtung von dem an dieses eine Ende dieses Körpers (72) angrenzenden Bereich über eine ausreichende Länge erstreckt, derart, daß dann, wenn der Schneideinsatz (80) jede Lagerung der Reihe bearbeitet, die Lagerstücke von wenigstens einer unmittelbar vorhergehenden, von diesem Schneideinsatz (80) bearbeiteten Lagerung aufgenommen werden,

dadurch gekennzeichnet, daß diese Bohrstange (12), während sie in Drehbewegung versetzt wird, relativ zu dieser Antriebsspindel (42) vorwärts bewegbar ist.

7. Bohrstange (12) nach Anspruch 6, bei welcher die Lagerstücke (76) eine so ausreichende Länge besitzen, daß sie darin, wenn der Schneideinsatz (80) die letzte Lagerung (14) der Reihe bearbeitet, von allen vorher von diesem Schneideinsatz bearbeiteten Lagerungen aufgenommen werden.

8. Bohrstange (12) nach Anspruch 6, bei welcher der Körper (72) der Bohrstange einen Durchmesser aufweist, der zumindest 9/10 des Durchmessers der durch diesen Schneideinsatz (80) in der Bohrstange bearbeiteten Bohrung beträgt.

9. Bohrstange (12) nach Anspruch 6, bei welcher der Durchmesser der durch diesen Schneideinsatz (80) der Bohrstange bearbeiteten Bohrung nicht mehr als 0,076 mm größer ist als der Durchmesser dieser Lagerstücke (76) der Bohrstange.

10. Bohrstange (12) nach Anspruch 6 mit einer Mehrzahl von Auslaßöffnungen (114, 116) im Körper (72) der Bohrstange, wovon wenigstens einige der Auslaßöffnungen einen Abstand in Längsrichtung voneinander aufweisen um Kühlflüssigkeit sowohl in die Lagerung abzugeben, die durch den Schneideinsatz (80) der Bohrstange bearbeitet wird, als auch in jede der bearbeiteten Lagerungen, in denen die Lagerstücke (76) der Bohrstange aufgenommen sind.

11. Bohrstange (12) nach Anspruch 6 mit einer Tasche (82) im Körper (72) in dem an dieses eine Ende des Körpers angrenzenden Bereich und mit von dieser Tasche aufgenommenen Klemmitteln (84, 86), wobei der Schneideinsatz (80) entfernbar in dieser Tasche aufgenommen ist und darin lösbar durch diese Klemmittel befestigt ist.

12. Werkzeugmaschine mit einer Bohrstange (12) nach Anspruch 6 zur maschinellen Bearbeitung einer Reihe von in Längsrichtung Abstände voneinander aufweisenden Lagerungen (14) für eine Motornockenwelle an einem Werkstück (16), umfassend:

eine Basis (22);

einen von dieser Basis getragenen Antrieb (28, 54, 42) zur Drehung der Bohrstange (12) und zur hin- und hergehenden Längsbewegung der Bohrstange relativ zur Basis;

eine von der Basis getragene Positioniervorrichtung (18) für das Werkstück (16);

eine dieser Positioniervorrichtung (18) zugeordnete Aufspannvorrichtung (20), die derart gestaltet und angeordnet ist, daß sie geeignet ist, das positionierte Werkstück derart festzuspannen, daß die Achsen der in der Reihe befindlichen, zu bearbeitenden Lagerungen im wesentlichen mit der Rotationsachse der Bohrstange zusammenfallen; und

ein dem Antrieb zugeordnetes Betätigungsorgan (64, 66), das derart gestaltet und angeordnet ist, daß es geeignet ist, die Bohrstange (12), während sie sich in Rotation befindet, relativ zur Antriebsspindel (42) vorwärtszubewegen und auf die Bohrstange eine Vorschubbewegung in Richtung auf und durch das Werkstück auszuüben, um die Lagerungen (14) maschinell zu bearbeiten;

wobei der langgestreckte Körper (72) der Bohrstange, seinem einen Ende unmittelbar benachbart, mit einem Schneideinsatz (80) versehen ist, um zu gegebener Zeit jeweils eine der Lagerungen (14) der Reihe von mit Längsabständen angeordneten Lagerungen des Werkstücks (16) zu bearbeiten;

wobei die Mehrzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Lagerstücken (76) der Bohrstange eine gekrümmte Umfangsfläche (112) aufweisen, deren Zentrum mit einer Rotationsachse des Schneideinsatzes (80) zusammenfällt und deren Durchmesser nicht größer ist und nur geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung, die durch den Schneideinsatz erzeugt wird, wenn er durch den Antrieb (28, 54) in Rotation versetzt ist;

und wobei der Schneideinsatz (80) der Bohrstange (12) einen Vorschub in Richtung auf und durch das Werkstück (16) erhält, während der Schneideinsatz rotiert, um aufeinanderfolgend jeweils eine Bohrung durch jede Lagerung der Reihe zu bearbeiten und die Lagerstücke (76) in wenigstens der unmittelbar vorhergehenden, durch den Schneideinsatz bearbeiteten Lagerung anzuordnen, um die Bohrstange radial festzuhalten und abzustützen, während der Schneideinsatz wenigstens die unmittelbar folgende Lagerung der Reihe bearbeitet.

13. Werkzeugmaschine nach Anspruch 12, bei welcher die Lagerstücke (76) eine so ausreichende Länge aufweisen, daß sie dann, wenn der Schneideinsatz (80) die letzte Lagerung (14) der Reihe bearbeitet, von der ersten bearbeiteten Lagerung der Reihe und allen dazwischen befindlichen, bearbeiteten Lagerungen aufgenommen sind.

14. Werkzeugmaschine nach Anspruch 12, bei welcher die Lagerstücke (76) der Bohrstange (12) eine Länge aufweisen, die wenigstens gleich der halben axialen Länge des Körpers (72) der Bohrstange ist.

15. Werkzeugmaschine nach Anspruch 12, bei welcher dieser Körper (72) dei Bohrstange (12) einen Durchmesser aufweist, der wenigstens neun Zehntel des Durchmessers der durch diesen Bohreinsatz (80) der Bohrstange bearbeiteten Bohrung beträgt.

16. Werkzeugmaschine nach Anspruch 12, bei welcher der Durchmesser der durch diesen Schneideinsatz (80) der Bohrstange (12) bearbeiteten Bohrung nicht größer ist als der um 0,076 mm vergrößerte Durchmesser dieser Lagerstücke (76) der Bohrstange.

17. Werkzeugmaschine nach Anspruch 12, bei welcher die Bohrstange (12) eine Mehrzahl von Auslaßöffnungen (114, 116) in diesem Körper (72) der Bohrstange umfaßt, wobei wenigstens einige der Auslaßöffnungen in Längsrichtung einen Abstand voneinander aufweisen, um Kühlflüssigkeit sowohl in die Lagerung abzugeben, die durch den Schneideinsatz (80) der Bohrstange bearbeitet wird, als auch in jede der bearbeiteten Lagerungen, in denen die Lagerstücke (76) der Bohrstange aufgenommen sind.

18. Werkzeugmaschine nach Anspruch 12, bei welcher die Bohrstange (12) eine Tasche (82) in diesem Körper (72) in dem an dieses eine Ende des Körpers angrenzenden Bereich aufweist, wobei Klemmittel (84, 86) von dieser Tasche aufgenommen sind und der Schneideinsatz (80) entfernbar in dieser Tasche aufgenommen und darin lösbar durch diese Klemmittel befestigt ist.

19. Werkzeugmaschine nach Anspruch 12 mit einer von dieser Basis (22) getragenen Führung (32), von der in Längsrichtung einer parallel zur Rotationsachse dieses Schneideinsatzes (80) der Bohrstange (12) verlaufenden Achse hin und her beweglich ein Schlitten (30) getragen wird, wobei der Antrieb (28) für die Bohrstange von diesem Schlitten getragen wird und mit diesem zusammen hin und her beweglich ist, und wobei ein Antrieb (34, 36) mit diesem Schlitten verbunden ist, der geeignet ist, diesen Schlitten in eine erste Position zu bewegen, um die Bohrstange schnell in Richtung auf die erste Lagerung (14) der auf dem Werkstück (16) befindlichen Reihe von durch den Schneideinsatz der Bohrstange zu bearbeitenden Lagerungen vorwärts zu bewegen, und in eine von der ersten Position einen Abstand aufweisende zweite Position, um die Bohrstange rasch zurückzuziehen und aus dem Werkstück herauszuziehen, nachdem die Bohrstange alle Lagerungen der Reihe bearbeitet hat.

20. Werkzeugmaschine nach Anspruch 12, bei welcher der Schneideinsatz (80) der Bohrstange (12) eine polykristalline Diamantspitze aufweist.

21. Werkzeugmaschine nach Anspruch 12, bei welcher der Schneideinsatz (80) der Bohrstange (12) im wesentlichen aus Wolframkarbid und Siliziumkarbid besteht.

22. Werkzeugmaschine nach Anspruch 12, mit einem zweiten Antrieb (28) zum Drehantrieb einer zweiten Bohrstange (12) und zur hin- und hergehenden Bewegung dieser zweiten Bohrstange relativ zur Basis (22), wobei die zweite Bohrstange einen sich in Achsrichtung erstreckenden, langgestreckten Körper (72) aufweist, der seinem einen Ende unmittelbar benachbart mit einem Schneideinsatz (80) versehen ist, um zu gegebener Zeit jeweils eine Lagerung (14) der Reihe von mit Längsabständen angeordneten Lagerungen des Werkstücks (16) zu bearbeiten, wobei dieser langgestreckte Körper so gestaltet und angeordnet ist, daß er im Bereich seines anderen Endes mit dem zweiten Antrieb verbindbar ist, um diesen Schneideinsatz um eine Rotationsachse zu drehen, und wobei eine Mehrzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden und mit Abständen in Umfangsrichtung über den Umfang dieses Körpers verteilten Lagerstücken (76) von diesem Körper getragen werden, die eine bogenförmig gekrümmte Oberfläche (112) aufweisen, deren Zentrum mit der Rotationsachse des Schneideinsatzes zusammenfällt und deren Durchmesser nur geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der vom Schneideinsatz beim Drehantrieb durch diesen zweiten Antrieb erzeugten Bohrung, wobei das Betätigungsorgan (64, 66) auch dem zweiten Antrieb zugeordnet ist, und wobei jede dieser Bohrstangen eine gesonderte Reihe von Lagerungen des gleichen Werkstücks jeweils einzeln und aufeinanderfolgend bearbeitet, jedoch beide Reihen von Lagerungen im wesentlichen gleichzeitig.

23. Werkzeugmaschine nach Anspruch 22, bei welcher der zweite Antrieb (28) eine zweite Antriebsspindel (42) umfaßt und bei der die zweite Bohrstange (12), während sie in Drehung versetzt wird, fähig ist, eine Vorschubbewegung relativ zur zweiten Antriebsspindel auszuführen.







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