[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten wenigstens
einer Umfangsfläche eines runden Werkstückes, das eine rechtwinklig zu seiner Rotationsachse
verlaufende Bezugsfläche aufweist und das während des Bearbeitens der Umfangsfläche
in einer mit einem Rotationsantrieb versehenen Werkstückspannvorrichtung eingespannt
ist, wobei das Werkstück mit der Bezugsfläche an einer zur Rotationsachse rechtwinkligen
Planfläche der Werkstückspannvorrichtung anliegt.
[0002] Das mit dem Verfahren der eingangs genannten Art eingespannte Werkstück weist aufgrund
der vorausgegangenen Bearbeitungsgänge Schlagfehler und Unrundheiten bezüglich der
Bezugsfläche auf, die durch das anschließende Bearbeiten, insbesondere ein Schleifen,
ausgeglichen werden sollen. Aufgrund der Schlagfehler oder Unrundheiten führt das
freie Ende des Werkstückes während der Bearbeitung seiner Umfangsflächen ein Taumeln
aus, das während des Bearbeitens nicht unterbunden werden darf, da sonst die Beziehung
zu der Bezugsfläche verloren ginge. Die Umfangsflächen derartiger Werkstücke werden
deshalb in fliegender Aufspannung des Werkstückes bearbeitet. Insbesondere, wenn
die Fläche sehr gering ist, die nicht der Bearbeitung ausgesetzt ist und an welcher
das Werkstück eingespannt ist, ergibt sich eine relativ geringe Steifigkeit des Bearbeitungssystems,
so daß die Abtragsleistung relativ gering ist. Bei vorgeschrie bener Werkstückgenauigkeit
resultiert daraus eine relativ lange Bearbeitungszeit.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art
so zu verbessern, daß die Abtragsleistung erhöht und damit die Bearbeitungszeit bei
vorgegebener Genauigkeit verkürzt werden können.
[0004] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Werkstück wenigstens während des Bearbeitens
der Umfangsfläche zur Planfläche hin mittels einer Anpreßkraft belastet ist, die derart
an dem der Bezugsfläche abgewandten Ende des Werkstücks angreift, daß die Beweglichkeit
dieses Endes des Werkstückes radial zur Rotationsachse erhalten bleibt.
[0005] Durch diese Maßnahme wird das Werkstück während des Bearbeitens mit seiner Bezugsfläche
mit relativ hohen Kräften zur Planfläche hin angepreßt, so daß es sicher an der Planfläche
anliegend gehalten wird, auch wenn für eine relativ hohe Abtragsleistung entsprechend
hohe Kräfte in radialer Richtung an das Werkstück angreifen. Die Anpreßkraft wird
dabei so eingeleitet, daß das Taumeln des Werkstückes nicht verhindert wird. Die Werkstückspannvorrichtung
hat dann im wesentlichen nur die Aufgabe, das Werkstück zur Rotationsachse zu zentrieren,
so daß die Einspannung dieses Werkstückes an einer Umfangsfläche erfolgen kann, die
sich nur mit einer relativ geringen Länge in Richtung der Rotationsachse erstreckt.
[0006] In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß das Werkstück während des Bearbeitens
seiner Umfangsfläche einer radial zur Rotationsachse gerichteten Dämpfungskraft ausgesetzt
ist, die im Bereich des der Bezugsfläche abgewandten Endes an das Werkstück angreift.
Durch diese Dämpfung ist es möglich, die Abtragsleistung noch weiter zu erhöhen und
die Bearbeitungszeit noch weiter zu reduzieren. Dabei wird ausdrücklich festgestellt,
daß alleine schon dadurch, daß das Werkstück einer radial gerichteten Dämpfungskraft
ausgesetzt ist, eine Erhöhung der Abtragsleistung möglich ist, ohne daß zusätzlich
eine erhöhte Anpressung durch eine an das freie Ende angreifende Anpreßkraft vorgesehen
wird. Insbesondere in Verbindung mit einer Werkstückspannvorrichtung, die beim Einspannen
eine Kraftkomponente in Richtung zu der Planfläche der Werkstückspannvorrichtung
hin erzeugt, läßt sich eine Verbesserung der Abtragsleistung erreichen.
[0007] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß die Dämpfungsfrequenz
der Dämpfungskraft derart festgelegt ist, daß sie wesentlich höher als die Rotationsfrequenz
des rotierenden Werkstückes ist. Die Dämpfungskraft behindert somit die Taumelbewegung
des Werkstückes nicht, sondern wird erst bei den hohen, von dem Werkzeug übertragenen
Frequenzen wirksam, die in der Regel eine 10-Potenz höher liegen als die Rotationsfrequenzen
eines derartigen Werkstückes.
[0008] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer Vorrichtung zum Durchführen
des Verfahrens vorgesehen, daß ein dem freien Ende des Werkstück zustellbares, eine
Anpreßkraft in Richtung der Rotationsachse ausübendes Anpreßelement vorhanden ist,
das drehbar und radial zur Rotationsachse beweglich gehalten ist. Dieses Anpreßelement
stellt sicher, daß auch bei einer hohen Abtragsleistung des Bearbeitungswerkzeuges
die Bezugsfläche sicher an der Planfläche der Werkstückspannvorrichtung anliegen
bleibt, ohne daß die Taumelbewegung des Werkstückes verhindert wird.
[0009] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen und den Unteransprüchen.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt während des Einspannens eines Werkstückes in eine
Vorrichtung, das eine rechtwinklig zu seiner Rotationsachse verlaufende Bezugsfläche
aufweist, mit der es an eine Planfläche einer Werkstückeinspannvorrichtung angelegt
wird,
Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1 bei eingespanntem Werkstück
während des Bearbeitens der Umfangsflächen des Werkstückes mittels einer Schleifscheibe,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung mit einem eingespannten Werkstück,
bei welcher das Werkstück durch die Werkstückspannvorrichtung an die Planfläche herangezogen
und in dem Bereich seines freien Endes einer radial gerichteten Dämpfungskraft ausgesetzt
ist,
Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung, bei
welcher das freie Ende des eingespannten Werkstückes nur einer radialen Dämpfungskraft
ausgesetzt ist und
Fig. 5 einen Teilschnitt durch eine Vorrichtung ähnlich Fig. 4, bei welcher das freie
Ende des zu bearbeitenden Werkstückes in Richtung der Rotationsachse zu der Bezugsfläche
hin mit einer Anpreßkraft belastet und in radialer Richtung einer Dämpfungskraft ausgesetzt
ist.
[0010] In den Fig. 1 bis 5 ist als zu bearbeitendes Werkstück eine Vorkammer (1) für eine
Verbrennungskraftmaschine mit ihrer Außenkontur dargestellt. Die Vorkammer (1) besitzt
eine ebene Bezugsfläche (2), die nach dem Bearbeiten der Umfangsflächen (12, 13, 14)
rechtwinklig zur Rotationsachse (15) dieser Umfangsflächen (12, 13, 14) verlaufen
muß. Diese Genauigkeit wird durch Schleifen der Umfangsflächen (12, 13, 14) erhalten.
Bei den vorausgehenden Bearbeitungsgängen der Bezugsfläche (2) und der Umfangsflächen
(12, 13, 14) sind Toleranzen bezüglich der ebenen Bezugsfläche (2) und den Umfangsflächen
(12, 13, 14) noch unvermeidlich. Die Vorkammer (1) besitzt eine weitere Umfangsfläche
(16), die über einen schmalen Ringbund (17) an die Bezugsfläche (2) anschließt und
die nicht bearbeitet wird. Diese Umfangsfläche (16) dient als Spannfläche, mit welcher
die Vorkammer (1) über Spannbacken (7) einer Werkstückspannvorrichtung zentriert
wird. Die Umfangsfläche (16) und der Ringbund (17) besitzen nur eine relativ geringe
Ausdehnung in axialer Richtung der Vorkammer (1).
[0011] Die Vorkammer (1) wird in die Werkstückspannvorrichtung derart eingeführt, daß die
Bezugsfläche (2) flächig an einer Planfläche (6) einer Spindel (5) anliegt, die exakt
rechtwinklig zur Drehachse (4) der Spindel verläuft, die mit einem Rotationsantrieb
versehen ist. Die Spannbacken (7) werden dann in radialer Richtung der Umfangsfläche
(16) zugestellt, wodurch diese Umfangsfläche (16) und damit die ganze Vorkammer (1)
zu der Rotationsachse (4) der Spindel zentriert werden.
[0012] Aufgrund der bereits erwähnten Ungenauigkeiten der vorausgegangenen Bearbeitungsschritte
verläuft die bisherige Rotationsachse (15) der Umfangsflächen (12, 13, 14) nicht exakt
rechtwinklig zu der Bezugsfläche (2). Das freie Ende (9) der Vorkammer (1) führt daher
bei Drehbewegungen der Spindel (5) eine Taumelbewegung aus, die in der Größenordnung
von 0,3 mm liegen kann. Die exakte Rechtwinkligkeit der Rotationsachse (15) zu der
Bezugsfläche (2) wird durch den mit der dargestellten Vorrichtung durchzuführenden
Bearbeitungsvorgang hergestellt, d. h. durch eine Schleifen mittels einer Schleifscheibe
(8), die in radialer Richtung der Vorkammer (1) zugestellt wird. Die Schleifscheibe
(8) bewirkt ein Kippmoment auf die Vorkammer (1) um deren Bezugsfläche (2), das die
Tendenz hat, die Bezugsfläche (2) von der Planfläche (6) abzuheben. Da die Spannbacken
(7) nur in relativ kurzem axialem Abstand zur Bezugsfläche (2) an die Vorkammer (1)
angreifen und da die für einen Angriff der Spannbacken (7) zur Verfügung stehende
Umfangsfläche (16) nur eine kurze axiale Erstreckung aufweist, können die Spannbacken
(7) dem von der Schleifscheibe (8) ausgeübten Kippmoment nur ein relativ geringes
Gegenmoment entgegensetzen.
[0013] Um trotz dieser Verhältnisse eine relativ hohe Kraft der Schleifscheibe (8) und damit
eine relativ hohe Abtragsleistung zuzulassen, wird zusätzlich vorgesehen, daß die
Vorkammer (1) mit einer Axialkraft belastet wird, durch die die Bezugsfläche (2) an
die Planfläche (6) der Spindel (5) angepreßt wird. Diese Anpreßkraft wird in das freie
Ende (9) der Vorkammer eingeleitet, jedoch in der Weise, daß dadurch die Taumelbewegung
der Vorkammer (1) und insbesondere auch des freien Endes (9) nicht unterbunden wird.
Hierzu ist eine Gegenspitze (3) vorgesehen, die insbesondere in einem Reitstock einer
nicht dargestellten Schleifmaschine angeordnet ist und die ein Anpreßelement (11)
enthält, das in einer sich konisch verjüngenden Aussparung (18) das freie Ende (9)
der Vorkammer (1) aufnimmt. Die Gegenspitze (3), die koaxial zur Rotationsachse (4)
der Spindel (5) ausgerichtet ist, besitzt eine das Anpreßelement (11) radial umschließende
zur Rotationsachse (4) koaxiale Kammer (19), in welcher das Anpreßelement (11) die
Taumelbewegung des freien Endes (9) der Vorkammer (1) mit ausführen kann.
[0014] Die Gegenspitze (3) besitzt eine zur Rotationsachse (4) radiale Planfläche (10),
die mit der entsprechend ausgebildeten gegenüberliegenden Fläche des Anpreßelementes
(11) ein hydrostatisches Lager bildet. Das hydrostatische Lager wird über eine Versorgungsleitung
(20) mit Druckflüssigkeit versorgt. Diese Druckflüssigkeit, für die bevorzugt Kühlflüssigkeit
verwendet wird, die für das Schleifen ohnehin benötigt wird, strömt über das hydrostatische
Lager in die Kammer (19) und aus dieser durch einen Spalt zwischen dem Anpreßelement
(11) und der Gegenspitze (3) nach außen aus in Richtung zu der Vorkammer. Das hydraulische
Medium, insbesondere die Kühlflüssig keit, wird mit einem Druck in der Größenordnung
von 10 bar in das hydrostatische Lager eingepumpt.
[0015] Das Anpreßelement (11) führt die Taumelbewegung des freien Endes (9) der Vorkammer
mit aus, so daß es sich bei einer Rotation der Spindel (5) und der Vorkammer (1) auf
einer zur Rotationsachse (4) zentrischen Kreisbahn bewegt. Aufgrund seiner Bewegung
muß es die Hydraulikflüssigkeit in der Kammer (19) verdrängen, wodurch ein Dämpfungseffekt,
d. h. eine Dämpfungskraft, entsteht. Durch eine entsprechende Bemessung des Querschnittes
der Kammer (19) läßt sich diese Dämpfungsbewegung bezüglich der Dämpfungsfrequenz
festlegen. Diese Festlegung erfolgt in der Art, daß die Rotationsbewegung der Spindel
(5) und damit die Taumelbewegung des Anpreßelementes (11) praktisch ungedämpft verläuft.
Die Dämpfungsfrequenz wird jedoch so ausgelegt, daß sie in dem Bereich der Bearbeitungsfrequenz
des Werkzeuges wirksam ist, die etwa eine 10-Potenz höher als die Rotationsfrequenz
der Spindel (5) und damit der Vorkammer (1) und des Anpreßelementes (11) ist.
[0016] Das Werkstück, bei dem dargestellten Fall die Vorkammer (1), wird während des Spannvorgangs
mit seiner Bezugsfläche (2) durch die Gegenspitze (3) an die Plane, zur Rotationsachse
(4) der Werkstückspindel (5) senkrecht stehende Planfläche (6) gepreßt (Fig. 1). Durch
die an der Werkstückspindel (5) befestigten Spannbacken wird die Vorkammer (1) sodann
zentriert. Die Schleifscheibe (8) ist während dieser Phase noch nicht im Eingriff
(Fig. 1).
[0017] Anschließend wird das Werkstück, bei der dargestellten Ausführungsform die Vorkammer
(1), über die Werkstückspindel (5) und die Spannbacken (7) in Rotation versetzt, wobei
das freie Ende (9) entsprechend der vor der jetzt durchzuführenden Bearbeitung enthaltenen
Fehler taumelt. Das taumelnde Ende (9) wird durch das Anpreßelement anschließend abgestützt,
wozu eine Anpreßkraft in der Größenordnung von 300 bis 400 N über das Anpreßelement
(11) in Richtung zu der Planfläche (6) aufgebracht wird, mit welcher die Bezugsfläche
(2) an die Planfläche (6) angepreßt wird. In dieser Phase erfolgt dann die Bearbeitung
durch die Schleifscheibe (8), wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
[0018] Die Ausführungsform nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig.
1 zunächst durch die Spannbacken (7ʹ), die bei der Ausführungsform nach Fig. 3 derart
ausgebildet sind, daß sie entsprechend der Richtung des in Fig. 3 dargestellten Pfeiles
unter einem Winkel von etwa 45° schräg zur Rotationsachse (4) der Spindel zustellbar
sind, so daß sie über die Umfangsfläche (16) und den Ringbund (17) eine Kraft aufbringen,
mit welcher die Bezugsfläche (2) gegen die Planfläche (6) der Spindel (5) angedrückt
wird. Das freie Ende (9) der Vorkammer (1) der Ausführungsform nach Fig. 3 wird nicht
mit einer axialen Anpreßkraft belastet. Das freie Ende (9) ist in einer Aussparung
(22) eines Halteelementes (11ʹ) derart aufgenommen, daß nur Kräfte in radialer Richtung
übertragen werden können. Das Haltelement (11ʹ), das im übrigen entsprechend dem
Anpreßelement (11) der Fig. 1 und 2 ausgebildet ist, befindet sich in einer es radial
umgebenden Kammer (19), in welcher ein Fluid, insbesondere Kühlflüssigkeit, eingebracht
wird. Aufgrund der Taumelbewegung, die das Haltelement (11ʹ) mit dem freien Ende (9)
der Vorkammer (1) ausführt, werden Dämpfungskräfte auf das freie Ende (9) ausgeübt.
Diese Dämpfungskräfte erlauben es, die Abtragsleistung gegenüber einem nur fliegend
gelagerten vergleichbaren Werkstück zu erhöhen.
[0019] In Fig. 4 ist ein Teil einer Vorrichtung dargestellt, mit dem in etwa die gleiche
Funktion erfüllbar ist, die die Vorrichtung nach Fig. 3 aufweist. Bei dieser Ausführungsform
ist das freie Ende (9) des Werkstückes in einer als Halteelement dienenden Hülse (23)
derart geführt, daß nur in radialer Richtung wirksame Dämpfungskräfte übertragen
werden können. Die Hülse (23) ist mittels eines einteiligen oder mehrteiligen Dämpfungselementes
(24) in einem Bauteil (25) angeordnet, das mittels eines Wälzlagers (26) drehbar gelagert
ist. Durch eine entsprechende Werkstoffwahl und/oder Mischung des gummielastischen
Kunststoffdämpfungselementes (24) lassen sich die gewünschten Dämpfungsfrequenzen
einstellen.
[0020] In Fig. 5 ist ein Teil einer Vorrichtung dargestellt, die zur Erfüllung der gleichen
Funktion anstelle der Gegenspitze (3) und des Anpreßelementes (11) des Ausführungsbeispieles
nach Fig. 1 eingesetzt werden könnte. Bei dieser Ausführungsform ist ein Anpreßelement
(27) vorgesehen, das mit einer sich konisch verjüngenden Aussparung dem freien Ende
(9) der Vorkammer zugestellt wird und das auf der gegenüberliegenden Seite mittels
eines Axiallagers an einem Bauteil (28) abgestützt ist. Das Axiallager enthält als
Wälzkörper Kugeln (29). Das Bauteil (28) ist seinerseits drehbar gelagert und mit
einer Axialkraft in Richtung des Pfeiles belastbar, so daß die Vorkammer (1) mit ihrer
Bezugsfläche (2) gegen die Planfläche (6) der Spindel (5) mit einer Kraft von 300
bis 400 N zusätzlich angepreßt werden kann (Fig. 1). In radialer Richtung ist das
Anpreßelement (27) mittels Dämpfungselementen (30) an einem an dem Bauteil (28) angebrachten
Ring (31) gehalten. Die Dämpfungselemente (30) sind auch bei dieser Ausführungsform
so ausgelegt, daß sie die Taumelbewegung des freien Endes (9) und des Anpreßelementes
(27) zulassen, das sich dabei relativ zu dem Bauteil (28) beweglich über die Kugel
(29) abstützt. Das ein- oder mehrteilige Dämpfungselement (30) ist so ausgelegt,
daß es bei der Rotationsfrequenz noch nicht wirksam ist.
1. Verfahren zum Bearbeiten wenigstens einer Umfangsfläche eines runden Werkstückes,
das eine rechtwinklig zu seiner Rotationsachse verlaufende Bezugsfläche aufweist und
das während des Bearbeitens der Umfangsfläche in einer mit einem Rotationsantrieb
versehenen Werkstückspannvorrichtung eingespannt ist, wobei das Werkstück mit der
Bezugsfläche an einer zur Rotationsachse rechtwinkligen Planfläche der Werkstückspannvorrichtung
anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück wenigstens während des Bearbeitens
der Umfangsfläche zur Planfläche hin mittels einer Anpreßkraft belastet ist, die derart
an dem der Bezugsfläche abgewandten Ende des Werkstücks angreift, daß die Beweglichkeit
dieses Endes des Werkstückes radial zur Rotationsachse erhalten bleibt.
2. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück
während des Bearbeitens seiner Umfangsfläche einer radial zur Rotationsachse gerichteten
Dämpfungskraft ausgesetzt ist, die im Bereich des der Bezugsfläche abgewandten Endes
an das Werkstück angreift.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsfrequenz der
Dämpfungskraft derart festgelegt ist, daß sie wesentlich höher als die Rotationsfrequenz
des rotierenden Werkstückes ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es zur
Herstellung von Vorkammern für Verbrennungsmotoren angewandt wird.
5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein dem freien Ende (9) des Werkstücks (1) zustellbares, eine Anpreßkraft in Richtung
der Rotationsachse (4) ausübendes Anpreßelement (11, 27) vorgesehen ist, das drehbar
und radial zur Rotationsachse (4) beweglich gehalten ist.
6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ein das freie Ende (9) des Werkstückes (1) einfassendes, frei drehbar gelagertes
Haltelement (11ʹ, 23) vorgesehen ist, das radial zur Rotationsachse (4) mit eine Dämpfungskraft
aufbringenden Mitteln (19, 24) an einem Bauteil (3, 25) gehalten ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpreßelement (11,
27) radial zur Rotationsachse (4) mit eine Dämpfungskraft aufbringenden Mitteln (19,
30) geführt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpreßelement
(11) oder das Halteelement (11ʹ) in einer es radial umschließenden, zur Rotationsachse
(4) zentrischen Kammer (19) drehbar gelagert ist, in die ein Fluidum eingebracht ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpreßelement
(11, 27) mittels eines Axiallagers (10, 29) an einem in Richtung der Rotationsachse
(4) verstellbaren, eine Axialkraft aufbringenden Bauteil (3, 28) gelagert ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpreßelement (11)
mit einer hydrodynamischen Lagerung in dem verstellbaren Bauteil (3) gelagert ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpreßelement (11)
mit einer hydrostatischen Lagerung (10) in dem Bauteil (3) gelagert ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrodynamische
Lager oder das hydrostatische Lager (10) an eine Versorgungsleitung (20) zum Zuführen
von Kühlflüssigkeit angeschlossen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpreßelement (11)
mit einer pneumatischen Lagerung in dem Bauteil (3) gelagert ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
Anpreßelement (27) oder das Halteelement (23) radial mit einem oder mehreren Dämpfungselementen
(24, 30) in einem koaxial zur Rotationsachse (4) drehbar gelagerten, dem Werkstück
(1) zustellbaren Bauteil (25, 28) gelagert ist.