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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spanabhebenden Oberflächenbearbeitung einer Bohrung eines Werkstückes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 3.
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Bauteile einer Brennkraftmaschine, wie etwa Zylinderkurbelgehäuse mit Zylinderbohrungen, werden im eingebauten Zustand aufgrund von Verspannungen oder aufgrund des Wärmeeinflusses im Fahrzeugbetrieb deformiert. Es ist daher bekannt, die Zylinderbohrungen eines Zylinderkurbelgehäuses im unbelasteten Zustand mittels eines Honverfahrens, etwa Brillenhonung oder Unrundhonung, mit einer gezielt unrunden Innenkontur als Sollform im unverspannten Zustand (Brillenhonung) vorzuhalten. Im belasteten Zustand der Zylinderkurbelgehäuse ergibt sich dann die angestrebte zylindrische Innenkontur der Zylinderbohrung, wodurch in konstruktiv einfacher Weise eine zuverlässige Abdichtung des Brennraums am Kolbenring mit geringer Reibung herstellbar ist.
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Aus der
DE 40 07 121 A1 ist eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung einer Werkstückbohrung bekannt. Die Vorrichtung weist eine Antriebseinheit, mit einer rotierenden Spindel auf, an der stirnseitig ein Werkzeugträger mit einer Anzahl von Honleisten geschraubt sind. Die Honleisten werden in Abhängigkeit von ihrer Drehposition mit einem variierbaren Zustelldruck gegen eine Bohrungswand gedrückt. Dies erfolgt über Steuerbacken, die gegenüber der Spindel radial verschiebbar sind und die Honleisten gegen die Bohrungswand drücken.
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Das vom Werkzeugträger getragene Bearbeitungswerkzeug ist mit Hydraulikschaltkreisen gekoppelt, mit deren Hilfe die Steuerbacken die Honleisten radial verstellen. Das Bearbeitungswerkzeug und die werkzeugtragende Spindel sind daher konstruktiv aufwendig gestaltet.
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Aus der DE
90 16 742U1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur spanabhebenden Oberflächenbearbeitung einer Bohrung eines Werkstückes bekannt. Die Vorrichtung weist einen Antriebsschaft, ein Gehäuse sowie einen Bohrkopf auf, in welchem das Bearbeitungswerkzeug eingespannt ist. Der Antriebsschaft ist im Gehäuse gelagert und rotiert während des Bohrbetriebes, während das Gehäuse feststeht. Der Bohrkopf rotiert aufgrund einer im Gehäuse integrierten Zwangssteuerung mit überlagerten Lateral- oder Schwenkbewegungen. Aus der
DE 44 42 218 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der während der spanabhebenden Oberflächenbearbeitung ein, das Werkstück tragender Halter verstellt wird. Aus der
DE 10 2005 022 078 A1 ist eine weitere Vorrichtung bekannt, bei der zur Herstellung unrunder Bohrungen eine Verstelleinrichtung mittels eines Kreuzschlittens realisiert ist, Aus der
DE 32 45 053 A1 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, bei der das Bearbeitungswerkzeug in einem Spannfutter eines Spindelstocks eingespannt ist, der über eine Antriebsspindel angetrieben wird. Zur Erzeugung einer unrunden Bohrung wird das Bearbeitungswerkzeug ausgelenkt. Aus der
DE 44 01 496 C3 ist eine weitere Werkzeugmaschine bekannt, bei der ein Bohrkopf mit Bezug auf eine Werkzeugspindel radial ausgelenkt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur spanabhebenden Oberflächenbearbeitung bereitzustellen, bei dem das Bearbeitungs-Werkzeug konstruktiv einfach ausführbar und in einfacher Weise sowie zeitsparend eine unrunde Bohrung erreichbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder durch die Merkmale des Patentanspruches 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die Vorrichtung eine Verstelleinrichtung auf, die zur Einstellung des Zustelldrucks des Bearbeitungswerkzeugs die werkzeugtragende Spindel oder das Werkstück zumindest radial verstellt, um eine unrunde Innenkontur der Werkstückbohrung zu erreichen. Erfindungsgemäß wird die um eine Mittelachse rotierende Spindel zusammen mit dem Bearbeitungswerkzeug radial verstellt, nicht jedoch das Bearbeitungswerkzeug gegenüber der werkzeugtragenden Spindel. Dadurch kann das Bearbeitungswerkzeug in Radialrichtung verstellfrei an der werkzeugtragenden Spindel befestigt werden, ohne zusätzlich Hydraulikschaltkreise zwischen der Spindel und dem Bearbeitungswerkzeug zu schalten.
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Bei nicht aktivierter Verstelleinrichtung ist dabei die Mittelachse der rotierenden, werkzeugtragenden Spindel koaxial zu einer Bohrungsachse der Werkstückbohrung ausgerichtet.
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Für eine maßgenaue Radialverstellung des Bearbeitungswerkzeugs ist es vorteilhaft, wenn die werkzeugtragende Spindel achsparallel zu ihrer Drehachse radial verstellt wird. Insbesondere bei nur geringfügigen Abweichungen von einer Zylinderkontur kann die werkzeugtragende Spindel alternativ mit Bezug zu ihrer Mittelachse in eine Taumelbewegung versetzt werden. Die von der Zylinderform abweichenden Differenzmaße bewegen sich dabei üblicherweise im Mikrometerbereich.
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Zusätzlich ist es besonders vorteilhaft, wenn die Verstelleinrichtung auch die Hubposition der werkzeugtragenden Spindel in der Axialrichtung der Werkstückbohrung verstellt. Auf diese Weise können in Achsrichtung der Bohrung unterschiedliche Bohrungsinnendurchmesser realisiert werden. Hierbei ist es bevorzugt, wenn der Arbeitskontakt der vom Werkzeug getragenen Werkzeugschneide in Achsrichtung annährend punktförmig ist.
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Die oben genannte Taumelbewegung der Spindel ergibt sich, wenn die rotierende Spindel mit Bezug auf einen Kipppunkt, an dem die Spindel im wesentlichen radial spielfrei drehgelagert ist, ausgelenkt wird. Die Spindel lenkt aus, wenn sie von der Verstellvorrichtung mit einer radialen Zustellkraft beaufschlagt wird.
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Für eine solche radiale Auslenkung der Spindel weist die Verstelleinrichtung erfindungsgemäß zumindest ein einstellbares Unwuchtelement auf. In Abhängigkeit von seinem Exzenterabstand zur Mittelachse der Spindel wird die werkzeugtragende Spindel radial ausgelenkt. Bevorzugt ist das Unwuchtelement in der Radialrichtung gegenüber der werkzeugtragenden Spindel in Abhängigkeit von der Drehposition des Bearbeitungswerkzeugs verstellbar, wodurch die radiale Auslenkung der Spindel drehwinkelabhängig steuerbar ist.
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Das o. g. einstellbare Unwuchtelement kann ein Unwuchtgewicht sein, das von der werkzeugtragenden Spindel getragen wird. Das Unwuchtgewicht kann beispielsweise mittels Hydraulik- oder Pneumatikzylinder in seiner Radiallage gegenüber der Mittelachse der Spindel verstellt werden, um die Unwucht der Spindel in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Bearbeitungswerkzeugs einzustellen.
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Für eine trotz radialer Auslenkung stabile Lagerung kann die werkzeugtragende Spindel über Stützlager radial gegen ein Spindelgehäuse abgestützt sein. Das Spindelgehäuse kann hohlzylindrisch gestaltet sein und innenseitig die werkzeugtragende Spindel abstützen. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Stützlager zwischen der Spindel und dem Spindelgehäuse ein Radialspiel aufweisen, das zumindest einem Zustellweg der Spindel in Radialrichtung entspricht. Auf diese Weise werden Verspannungen zwischen der Spindel und dem Spindelgehäuse bei der Bearbeitung vermieden.
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Alternativ zu dem oben genannten Unwuchtelement weist die Verstelleinrichtung zumindest einen Steuernocken auf, der auf der rotierenden Spindel ausgebildet ist. Der Steuernocken wälzt sich bei rotierender Spindel unter radialer Verstellung der Spindel an einem zugeordneten Stellbolzen ab. Bevorzugt kann der Stellbolzen in einem radial außenseitigen Druckring gelagert sein, der sich gegensinnig zur werkzeugtragenden Spindel dreht. In Abhängigkeit von einer Drehzahl des Druckringes können unterschiedliche Innenkonturen der Werkstückbohrung, beispielsweise eine vierblättrige Kleeblattform oder andere Ovalitäten, wie etwa einen Bananenform über die Bohrungslängsrichtung, erzielt werden. Die Bananenform ist prinzipiell bei allen Konstruktionen möglich; sie ist aber nicht mit den Kreisformen (Unrundheiten) in Abhängigkeit zu sehen, sondern separat als Form entlang der Bohrungsachse.
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In einem Verfahren zur Erzeugung einer von der Zylinderform abweichenden Innenkontur einer Werkstückbohrung wird zunächst in herkömmlicher Weise eine Werkstückbohrung in Zylinderform hergestellt. In einem folgenden Bearbeitungsschritt kann, etwa mittels des Bearbeitungswerkzeugs der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die angestrebte unrunde Sollkontur in die Werkstückbohrung eingearbeitet werden. Nachfolgend erfolgt die Feinstbearbeitung der Oberflächenstruktur der unrunden Bohrungswandung mittels eines Honverfahrens, etwa einer Brillenhonung oder einer Unrundhonung.
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Nachfolgend sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
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1 grob schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung gemäß einem nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsbeispiel;
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2 in einem Ausschnitt eine Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 eine Schnittansicht entlang der Linie I-I aus der 2;
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4 einen Ausschnitt einer Bearbeitungsvorrichtung gemäß einem nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsbeispiel;
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5 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II aus der 4;
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6 in einem Ausschnitt eine Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
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7 eine Schnittdarstellung entlang der Linie III-III aus der 6; und
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8 in einem Ausschnitt die Bearbeitungsvorrichtung gemäß einem nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsbeispiel.
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In der 1 ist eine nicht von der Erfindung umfasste Bearbeitungsvorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung einer Zylinderbohrung 1 eines grob angedeuteten Zylinderkurbelgehäuses 3 gezeigt. Die Vorrichtung weist einen Kreuzschlitten 5 auf, an dessen unterem Kreuztisch 7 eine Antriebseinheit 9 für eine rotierende, werkzeugtragende Spindel 11 montiert ist. Gemäß der 1 ist an der freien Stirnseite der Spindel 11 ein Bearbeitungswerkzeug 13 ortsfest gehaltert, wie es in der 1 grob schematisch gezeigt ist. Die werkzeugtragende Spindel 11 rotiert dabei um eine Mittelachse 15 innerhalb eines hohlzylindrischen Spindelgehäuses 17, das ortsfest mit der Antriebseinheit 9 verbunden ist. Die Spindel 11 ist innerhalb des Spindelgehäuses 17 über zwei Spindellager 19 abgestützt, von denen das untere Spindellager 19 in der 1 gezeigt ist.
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Das hohlzylindrische Spindelgehäuse 17 ist an seiner nach unten offenen Stirnseite mit einem flanschartig ausgeweiteten Umfangsrand 21 versehen, der sich auf zusätzliche Führungselemente 23 des Kreuzschlittens 5 abstützt. Durch die offene Stirnseite des Spindelgehäuses 17 ist berührungsfrei ein Kegelstumpfansatz 25 des Werkzeugs 13 geführt, das in bekannter Weise mit der Spindel 11 drehfest gekoppelt ist. Das Werkzeug 13 trägt an seiner dem Ansatz 25 gegenüberliegenden freien Stirnseite eine Werkzeugschneide 27, die mit ihrer Spitze punktförmig gegen die Bohrungswand drückt und so die Innenkontur der Zylinderbohrung 1 bearbeiten kann.
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Der Kreuzschlitten 5 ist mit einer nicht dargestellten elektrischen Steuereinrichtung in Verbindung, die den Kreuzschlitten 5 mitsamt seiner zugeordneten Antriebseinheit 9 in einer Höhenrichtung h vertikal sowie in einer Radialrichtung r horizontal verstellt.
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Zur Erzeugung einer von der Zylinderform abweichenden Innenkontur der Zylinderbohrung 1 wird das Werkzeug 13 zunächst vertikal in Höhenrichtung h in die Zylinderbohrung 1 eingefahren. In Abhängigkeit von einer Drehposition der Werkzeugschneide 27 sowie deren Höhenposition verschiebt die Steuereinrichtung den Kreuzschlitten 5 über einen Zustellweg in der Radialrichtung r. Von der Größe des Zustellwegs hängt der Zustelldruck ab, mit dem die Werkzeugschneide 27 gegen die Bohrungswandung drückt, um die in der Steuereinrichtung gespeicherte Sollkontur auf die Bohrungswandung der Zylinderbohrung 1 zu übertragen.
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Aufgrund der punktförmigen Anlage der Werkzeugschneide 27 mit der Zylinderbohrung 1 kann die Innenkontur der Zylinderbohrung 1 in Achsrichtung stark variieren.
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Nach erfolgter Oberflächenbearbeitung durch das Werkzeug 13 wird mittels eines Honverfahrens die Oberfläche der unrunden Zylinderbohrung 1 feinstbearbeitet. Da in dem Verfahren bereits vor dem Honverfahren eine gezielt umrunde Bohrung erhalten ist, erfolgt durch das anschließende Honverfahren lediglich eine Bearbeitung der Oberflächenstruktur mit entsprechend kurzer Bearbeitungszeit, ohne die Sollform der Innenkontur der Zylinderbohrung 1 zu verändern.
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In der 2 ist ausschnittsweise eine Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Gemäß der 2 ist die werkzeugtragende Spindel 11 hohlzylindrisch mit einer drehfest verbundenen Umwuchtwelle ausgebildet. Die Spindel 11 ist über die Spindellager 19 innerhalb des ortsfest angeordneten Spindelgehäuses 17 gelagert. Die werkzeugtragende Spindel 11 ist stirnseitig mit einer nur angedeutet dargestellten Werkzeugaufnahme ausgebildet, in der das Werkzeug 13 mit seinem kegelstumpfförmigen Ansatz 25 eingespannt ist.
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Auf der Unwuchtwelle 29 der werkzeugtragenden Spindel 11 sitzen in Axialrichtung beabstandete Unwuchtgewichte 31. Die Unwuchtgewichte 31 sind, wie es in der Schnittdarstellung der 3 gezeigt ist, radial verteilt an der Unwuchtwelle 29 befestigt sowie in Radialrichtung verstellbar angeordnet. Auf diese Weise kann ein Exzenterabstand a zwischen dem Schwerpunkt s der Unwuchtgewichte 31 sowie der Mittelachse 15 eingestellt und dadurch in Abhängigkeit von der Drehposition des Werkzeugs die radiale Auslenkung der Spindel 11 mitsamt dem Werkzeug 13 gesteuert werden.
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Die Spindellager 19 sind dabei mit einem Radialspiel ausgeführt, das eine ausreichende radiale Auslenkung der Werkzeugspindel 11 ermöglicht, ohne dass es im Betrieb zu Verspannungen kommt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, in welchem die Verstellung der Spindel 11 achsparallel zur Spindeldrehachse 15 erfolgt, wird in der 2 die Spindel 11 in konstruktiv einfacher Weise durch die Unwuchtgewichte in eine Taumelbewegung um die Mittelachse 15 versetzt.
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In dem nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsbeispiel der 4 wird die Unwucht der sich um die Mittelachse 15 drehenden werkzeugtragenden Spindel 11 mittels einer Magnetanordnung 33 erzeugt, die gemäß der Schnittdarstellung der 5 aus einer Reihe von Elektromagneten 35 besteht, die ringförmig um die Spindel 11 angeordnet sind. Durch eine entsprechende Anregung der Elektromagnete 35 mittels der nicht gezeigten Steuereinrichtung kann in Abhängigkeit von der Drehposition der Spindel 11 bzw. des Bearbeitungswerkzeugs 13 eine Magnetkraft auf die rotierende Spindel 11 ausgeübt werden, um diese in der Radialrichtung auszulenken. Die Auslenkung der werkzeugtragenden Spindel 11 ebenfalls in Form einer Taumelbewegung der Spindel 11 mit Bezug auf deren Mittelachse 15.
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Alternativ zur Magnetanordnung 33 kann die Auslenkung der Spindel 11 auch mittels Hydraulik- oder Pneumatikzylinder bzw. mit Hilfe von Piezoelementen erfolgen, die in der Radialrichtung in Abhängigkeit von der Drehposition der Spindel 11 gegen diese gedrückt werden.
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Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der 6 und 7 ist die rotierende Spindel 11 außenumfangsseitig mit einem Steuernocken 37 ausgebildet, der sich an einem Stellbolzen 39 abwälzt. Der Stellbolzen 39 ist gemäß der 7 radial verstellbar in einem Druckring 41 gelagert. Der Druckring 41 ist gemäß der 6 über zwei axial beabstandete Druckringlager in einem nicht gezeigten Spindelgehäuse abgestützt. Während der Spanbearbeitung bewegt sich der Druckring 41 zusammen mit seinem Stellring 39 gegensinnig zur Werkzeugdrehrichtung, wie es in der 7 angedeutet ist. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit vom Drehzahlverhältnis zwischen dem Druckring 41 und dem Bearbeitungswerkzeug 13 die Innenkontur der Zylinderbohrung 1 variiert werden. Durch das Abwälzen des spindelseitigen Nockens 37 am Stellbolzen 39 wird die werkzeugtragende Spindel 11 mit Bezug zur Mittelachse 15 in eine Taumelbewegung versetzt und entsprechend ausgelenkt.
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In der 8 ist eine nicht von der Erfindung umfasste Bearbeitungsvorrichtung gezeigt. Die rotierende werkzeugtragende Spindel 11 ist mittels eines nicht dargestellten Hubmechanismus in Höhenrichtung h verstellbar. Die Werkzeugspindel 11 ist über die axial beabstandeten Spindellager 19 auf entsprechende Ausweichlager 43 abgestützt, die sich wiederum am Spindelgehäuse 17 abstützen. Die Ausweichlager 43 weisen ein Radialspiel auf, so dass sich die Spindel 11 zusammen mit den Spindellagern 19 über einen Zustellweg spannungsfrei in Radialrichtung verstellen kann. Zwischen den beiden Spindellagern 19 ist eine Leitbüchse 45 angeordnet. Die Leitbüchse ist gegenüber den Spindellagern 19 sowie der Spindel 11 ortsfest im Spindelgehäuse 17 befestigt. Die Leitbüchse 45 weist innenumfangsseitig eine unrunde Sollkontur auf, gegen die ein Abtastrad 47 der Spindel 11 gedrückt ist.
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Während der Spanbearbeitung zur Erzeugung einer unrunden Innenkontur der Zylinderbohrung 1 wird die werkzeugtragende Spindel 11 mit einer Vorschubgeschwindigkeit in der Höhenrichtung h in die Zylinderbohrung 1 eingetaucht. Währenddessen rollt das spindelseitige Abtastrad 47 auf der Sollkontur der Leitbüchse 47 ab. Somit wird die Spindel 11 in Abhängigkeit von der Sollkontur aus ihrer Mittelachse 15 radial ausgelenkt und entsprechend die Sollkontur der Leitbüchse 45 auf die Bohrungswand der Zylinderbohrung 1 übertragen.