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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug mit austauschbarer Platte sowie eine
austauschbare Platte nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 4 zur
Bearbeitung profilierter Auflageflächen und beispielsweise Ventilsitzen von
Verbrennungsmotoren.
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Derzeit wird eine solche Bearbeitung mit Spezialmaschinen mit einer
motorgetriebenen Spindel vorgenommen, in die ein Werkzeughalter eingebaut ist. Der
Werkzeughalter 1, dargestellt in beiliegender Fig. 1, ist einerseits mit einem
Axialstift 2 versehen, der ihn in der Ventilführung 3 eines Zylinderkopfs 4 positioniert,
und andererseits mit einem Plattenhalter 5, der zwei in Fig. 2 sichtbare Schenkel
5a umfasst. Diese sind in den Werkzeughalter gleitend montiert und können darin
mittels Schrauben 6 arretiert werden. Ein Arm 5b, der sich im Wesentlichen parallel
zur Drehachse der Spindel erstreckt, trägt eine abnehmbare, vielkantige Platte 7,
mit der ein Sitz 8 bearbeitet wird. Fig. 3 zeigt, dass bei den derzeit verwendeten
Werkzeughaltern die Platte 7 ein keilförmiges Ende 10 umfasst und mittels einer
Schraube 9 auf einer ebenen Fläche 12 befestigt ist, die, wie in Fig. 2 dargestellt,
parallel zu einer Diametralebene Pd des Werkzeughalters ist.
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Das Schneidprofil der Platte 7 ist der Form des zu bearbeitenden Sitzes
angepasst und wird von mindestens fünf Parametern bestimmt, nämlich und wie in
Fig. 3 gezeigt:
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- dem Winkel a der Hauptschneidkante 13, mit der die Bearbeitung der
konischen Auflagefläche 8a vorgenommen wird, auf der das Ventil aufliegt und die
somit den eigentlichen Ventilsitz bildet,
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- der Breite b dieses Sitzes,
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- dem Winkel c der Schneidkante 14 des oberen Rücksprungs 8b des Sitzes
8,
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- der Breite d dieser Kante
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- und dem Winkel e der Schneidkante 15 des unteren Rücksprungs 8c des
Sitzes.
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Aufgrund der vielen verschiedenen Typen von Ventilsitzen existieren auch
einige Tausend Arten von Platten, sodass diese kundenspezifisch angepasst
werden müssen aus Rohlingen, die beispielsweise aus gesintertem Wolframkarbid
sind, deren Profilierung nach Wunsch durchgeführt wird. Diese Profilierung umfasst
auch die Herstellung des in Fig. 2 dargestellten Freiwinkels f.
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Um ein späteres Nachschleifen der Schneidkanten dieser Platten zu
ermöglichen, und zwar ohne dass hierzu eine spezielle Nachschleifmaschine erforderlich
ist, sind die beiden Längsflächen, nämlich die Stirnfläche 7a und Rückenfläche 7b
der Platte eben und parallel. Dadurch wird das Nachschleifen der Schneidkanten
durch Schleifen der vorderen Fläche 7a ermöglicht. Damit die Schneidkanten durch
dieses Nachschleifen nicht über die Diametralebenen Pd hinaus bewegt werden,
wird schließlich die Auflagefläche 12 des Plattenhalters üblicherweise so
positioniert, dass die Schneidkanten einer neuen Platte diesseits, d. h. vor dieser
Diametralebene liegen, und zwar um einen Wert von etwa 0,5 bis 0,8 mm, wie mit dem
Wert g in Fig. 2 gezeigt.
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Diese Art der Erneuerung, die bisher ausgereicht hat, stößt an ihre Grenzen,
einerseits durch die größere Härte der Sitze und andererseits dadurch, dass sie
hohe Schneidgeschwindigkeiten, wie sie mit Karbidplatten erreicht werden können,
ausschließt.
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Zur besseren Beständigkeit gegen die Zusatzstoffe der derzeitigen
Kraftstoffe werden Ventilsitze nämlich aus immer härteren Legierungen gefertigt, deren
Bearbeitung schwer ist, wie beispielsweise Legierungen auf Kohlenstoff-, Chrom-,
Vanadium-, Nickel-, Silizium-, Manganbasis.
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Ferner wird die Oberflächenhärte der Sitze durch das Hämmern des Ventils
auf dem Sitz und die höheren Temperaturen der Abgase verstärkt. Diese höhere
Oberflächenhärte kann nicht, wie aus anderen Bereichen bekannt, durch eine
höhere Schneidgeschwindigkeit ausgeglichen werden, und zwar aus folgenden
Gründen:
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- die Erneuerung der Sitze erfolgt auf trockenem Weg, und der Stift, der sich
mit geringem Spiel in der Ventilführung dreht, droht zu blockieren, wenn er mit
hohen Geschwindigkeiten angetrieben wird,
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- der Aufbau, der das Werkzeug trägt, ist für diese Geschwindigkeiten nicht
geeignet und ist vor allem nicht starr genug, insbesondere, wenn bedingt durch die
Länge der Schneidprofile hohe Schneidkräfte auftreten.
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Dieser Mangel an Starrheit rührt von dem vertikalen Abstand des
Plattenhalters zu den Führungslagern der motorgetriebenen Spindel, aber auch von der
Befestigung der Platte auf dem Plattenträger und der Befestigung des Plattenhalters
auf dem Werkzeughalter her, dessen Wirkung durch den Radialabstand des
Plattenhalters bezüglich der Drehachse der Spindel vergrößert wird.
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Hierzu hat bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug die Aufnahme des
Plattenhalters die Form eines rechtwinkligen Trieders und ist durch Drehung
transversal um eine Achse geneigt, die einer Erzeugenden der konischen Auflagefläche
des herzustellenden Sitzes entspricht, während die Schneidkanten der Platte an
einem Rohling hergestellt werden, der drei Anlageflächen umfasst, die einen
rechtwinkligen Trieder bilden, und zwar die Rückenfläche, eine Längsfläche und
die hintere Fläche, und dessen andere Längsfläche und die vordere Fläche, die in
unbearbeitetem Zustand bleiben, ausgehend von der Stirnfläche im Freiwinkel
angeordnet sind, wobei die Hauptschneid kante so ausgeführt ist, dass ihr Mittelpunkt
mit einem Bezugspunkt der Neigungsachse zusammenfällt und in konstantem
Abstand vom Scheitel des Trieders der Aufnahme auf dieser Achse gelegen ist.
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Wenn die Platte in ihrer Aufnahme positioniert und mittels einer
durchgehenden Schraube fixiert ist, sorgt das Anliegen ihrer drei Anlageflächen an die
Flächen des Trieders der Aufnahme unter Wirkung der horizontalen Komponenten der
Spannkraft der Schraube bei einer solchen Anordnung für eine genaue
Positionierung der Platte und ihrer Schneidkante.
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Dadurch, dass sich die Längsfläche der Aufnahme über fast die gesamte
Länge der Platte erstreckt, liegt die Resultierende der Gegenkräfte der
Schneidkräfte immer zwischen den Anlagebereichen der Platte und sucht sie somit nicht
um ihre Befestigung zu drehen, was die richtige Positionierung der Schneidkanten
gewährleistet.
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Außerdem hat die Neigung der Aufnahme, unter der Verwendung von
Platten mit jeweils paralleler Stirn- und Rückenfläche, also leicht nachzuschleifender
Platten, den Vorteil der Schneide der Hauptschneidkante eine Neigung zu geben,
die eine Schleifschräge ergibt, ohne dass dies die Position dieser besonderen
Kante im Raum, also die Geometrie der Bearbeitung der entsprechenden
Auflagefläche verändert.
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Wenn die anderen, nicht besonderen Schneidkanten auf Grund ihrer
Drehung um die Bezugskante und nicht um ihre eigene Kante eine im Raum
veränderte Position haben, so führen diese Veränderungen im Übrigen jedoch nicht zu einer
Überschreitung der im Allgemeinen höheren Fabrikationstoleranzen für die
Auflageflächen, die sie bearbeiten sollen.
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Durch das Herstellen einer Schleifschräge durch transversales Neigen der
Aufnahme können die Schneidkräfte und damit die Gegenkräfte reduziert werden,
die sich auf die Starrheit des Plattenhalters und des Werkzeughalters, aber auch
und insbesondere der Hülse der Spindel bezüglich der Spindellager auswirken.
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Schließlich erlaubt die genaue Positionierung des Mittelpunkts der
Hauptschneidkante schon bei der Anpassungsbearbeitung des Rohlings, die Präzision
der Bearbeitung durch die Platte zu gewährleisten, und dies bei Verringerung der
Anzahl von Plattenhaltermodellen, welche sich dann nur durch den Neigungswinkel
der Erzeugenden der Hauptauflagefläche des zu bearbeitenden Sitzes bezüglich
der Drehachse des Werkzeughalters unterscheiden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Aufnahme an mindestens
den beiden unteren Kanten ihres Trieders mit einer Freigabenut versehen,
während die unteren Kanten des Trieders der Platte mit einer Seitenfase versehen
sind, die durch Sintern hergestellt wurde.
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Diese Anordnung garantiert trotz der fehlenden Bearbeitung der Längsfläche
und der hinteren Fläche, die das Anliegen der Platte gewährleisten, eine korrekte
Positionierung dieser Platte durch die Aufnahme.
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Die Erfindung betrifft auch eine austauschbare Platte mit mehreren
Schneidkanten zur Bearbeitung von Ventilsitzen, bei der die Schneidkanten je nach Bedarf
durch Begradigung an einem Universal-Rohling hergestellt werden, der
beispielsweise aus gesintertem Wolframkarbid besteht und vorab an seinen beiden
parallelen Hauptflächen, nämlich der Rückenfläche und der Stirnfläche, begradigt wurde
und eine durchgehende Bohrung zur Durchführung einer
Senkkopf-Befestigungsschraube aufweist.
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Nach der Erfindung werden die Schneidkanten an einem Rohling hergestellt,
der von oben gesehen die Form eines rechtwinkligen Trapezes hat, und in einer
Zone, die, von zwei durch Sintern entstandenen und im Freiwinkel angeordneten
Flächen begrenzt, nämlich der Längsfläche und der vorderen Fläche, diagonal
entgegengesetzt zu einem rechtwinkligen Positionierungstrieder angeordnet ist, der in
dieser Platte von einer Längsfläche, einer hinteren Fläche und der Rückenfläche
gebildet wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung
hervor, die mit Bezug zu den schematischen Abbildungen gegeben ist, die
beispielhaft eine Ausführungsform des Werkzeugs der Erfindung darstellen.
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Fig. 1 ist eine Teilansicht mit Teilschnitt, die einen Werkzeughalter des
Stands der Technik zeigt, wenn dieser in einen Zylinderkopf eingesetzt ist, um
einen Sitz zu erneuern,
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Fig. 2 ist eine Schnittansicht entsprechend II-II der Fig. 1, die den
Plattenhalter des Stands der Technik in Vergrößerung zeigt,
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Fig. 3 ist eine Teilansicht im Querschnitt, die noch stärker vergrößert die
besondere Form der Bearbeitungsplatten des Stands der Technik zeigt,
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Fig. 4 ist eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform eines Rohlings der Platte in vergrößertem Maßstab,
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Fig. 5 ist eine Perspektivansicht des erfindungsgemäßen Plattenhalters
ohne Platte,
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Fig. 6 ist eine Teilansicht des mit einer Platte versehenen Plattenhalters
von vorne im Aufriss,
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Fig. 7 ist eine Teilschnittansicht entsprechend VII-VII der Fig. 6, welche
die Positionierung der Hauptschneidkante bezüglich der diametralen Mittelebene
des Plattenhalters in vergrößertem Maßstab zeigt,
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Fig. 8 ist eine Teilansicht, die perspektivisch und in vergrößertem Maßstab
die Aufnahme des Plattenhalters zeigt,
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Fig. 9 ist eine Teilschnittansicht, welche in vergrößertem Maßstab den in
der Platte vorgesehenen schalenförmigen Bereich für die Auflage des Kopfes der
Befestigungsschraube zeigt.
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Das Werkzeug der Erfindung besteht somit wie im Stand der Technik aus
einem Plattenhalter 20 und einer Platte 21. Der Plattenhalter umfasst einen Körper
20a, der fest verbunden ist mit zwei Seitenteilen 20b, die geeignet sind, mit dem
Werkzeugträger 1 zusammenzuwirken, sowie einen sich im Wesentlichen längs
erstreckenden Arm 20c, der nach unten heraussteht und eine Aufnahme 22
umfasst, die geeignet ist, die Platte 21 aufzunehmen und zu positionieren.
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Nach der Erfindung und wie genauer in den Fig. 5 und 8 gezeigt, hat
diese Aufnahme 22 die Form eines rechtwinkligen Trieders, der von drei Flächen
begrenzt wird, von denen jeweils zwei lotrecht zueinander angeordnet sind,
nämlich eine Bodenfläche 23, eine Längsfläche 24 und eine vordere Fläche 25. Der
ganze Träger ist bezüglich einer Achse D geneigt, die einer der Erzeugenden der
konischen Auflagefläche entspricht, die mit dem Plattenhalter bearbeitet werden
soll und der folglich bezüglich der Drehachse des Werkzeughalters um den
gleichen Winkelwert geneigt ist wie die konische Auflagefläche des Sitzes, der
hergestellt werden soll. In Fig. 8 bezeichnet das Bezugszeichen Pr einen Bezugspunkt
dieser Neigungsachse. Dieser Punkt befindet sich in einem Abstand L1 von dem
Scheitel S des Auflagetrieders der Aufnahme 22 entfernt.
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Fig. 8 zeigt, dass die Kanten des Trieders durch Freigabenuten ersetzt
sind, die zwischen den Flächen 23 und 24 mit 26, zwischen den Flächen 24 und 25
mit 27 und zwischen den Flächen 23 und 25 mit 28 bezeichnet sind.
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Von der Bodenfläche 23 mündet eine gewindete Bohrung 29, deren
Längsachse 29x orthogonal zu dieser Fläche und in einem Abstand L2 vom Scheitel S
des Trieders angeordnet ist.
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Wie in Fig. 4 gezeigt, wird die Platte 21 aus einem Rohling aus
beispielsweise gesintertem Wolframkarbid hergestellt und umfasst:
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- zwei parallele Hauptflächen, und zwar eine Rückenfläche 21d und eine
Stirnfläche 21f,
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- drei Anlageflächen, die einen rechtwinkligen Trieder bestimmen, d. h. von
denen jeweils zwei lotrecht zueinander angeordnet sind, nämlich eine
Rückenfläche 21d, eine Längsfläche 21l und eine vordere Fläche 21a,
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- und zwei von der Stirnfläche 21f aus im Freiwinkel angeordnete Flächen,
nämlich die vordere Fläche 21a und die andere Längsfläche 21t.
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Fig. 4 zeigt, dass die Längsfläche 21t so verläuft, dass sie sich von der
hinteren Fläche 21 p zur vorderen Fläche 21a hin von der anderen Längsfläche 21l
entfernt und damit der Platte in Draufsicht eine rechtwinklige Trapezform verleiht.
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Die Platte 21 ist von einer glatten Bohrung 30 durchzogen, wobei ein
schalenförmiger Auflagebereich 32 für den Senkkopf 35a einer Schraube 35 (Fig. 6)
vorgesehen ist. Wie in Fig. 6 zu sehen, ist die Längsachse 30x dieser Bohrung 30
orthogonal zu den Hauptflächen, nämlich der Rückenfläche 21d und der Stirnfläche
21f der Platte 21, und befindet sich in einem Abstand L3 von der Ecke 31 der
Platte, also vom Scheitel ihres Trieders. Die Differenz L3 - L2 beträgt etwa 0,08 bis
0,025 mm, also einige Zehntelmillimeter.
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Darüber hinaus und wie es Fig. 9 zeigt, weist der schalenförmige
Auflagebereich 32 an der Stelle, an der der Kopf 35a der Schraube aufliegt, eine konvexe
Anlagefläche auf, die von einer Rundung gebildet wird. Durch diese Anordnung
liegt der Senkkopf 35a der Schraube 35 immer mit einem durchgehenden Kreis auf
der Platte 21 auf, wodurch jegliches Überstehen verhindert wird. Außerdem
entsteht durch die Exzentrizität von Schraube 35 und Bohrung 30 (L3 - L2) eine
transversale Komponente, die den Trieder der Platte 21 fest in den der Aufnahme
22 drückt.
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Fig. 4 zeigt, dass die Zone Z, in der die Schneidkanten ausgeführt sind,
zum Auflagetrieder der Platte diagonal entgegengesetzt ist und von der
Längsfläche 21t und der vorderen Fläche 21a begrenzt wird. Die Hauptschneidkante 13,
welche die eigentliche Bearbeitung des Sitzes übernimmt, und die Kanten 14 und
15, welche den jeweils oberen und unteren Rücksprung bilden und in Fig. 4
gestrichelt dargestellt sind, werden je nach Bedarf durch Begradigung hergestellt, und
zwar nach Begradigung der Stirnfläche 21f und der Rückenfläche 21d, damit sie
genau parallel sind.
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Zur Verringerung von Materialverlusten und Herstellungs- und
Bearbeitungskosten weist die Zone Z jeder Platte eine Seite 40 auf, die die Ecke schräg
abschneidet.
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Beim Herstellen der Hauptschneidkante 13 wird diese im Rohling so
positioniert, dass sich ihr Mittelpunkt Pm (Fig. 4) in einem konstanten Abstand K von der
zwischen der hinteren Fläche 21p und längsseitigen Anlagefläche 21l gebildeten
Ecke 31 befindet.
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Jede der Unterkanten der Platte, d. h. der zwischen der Rückenfläche 21d
und der hinteren Fläche 21p bzw. der Längsfläche 21l gebildeten, ist mit einer
Seitenfase, bezeichnet jeweils mit 33 bzw. 34, versehen, die durch Sintern hergestellt
wurde.
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Schließlich ist zumindest der untere Teil der Aufnahme 22 schmaler als die
Platte 21, sodass diese Platte, wenn sie auf dieser angeordnet wird, an der zu ihrer
längsseitigen Anlagefläche 24 entgegengesetzten Seite und auf dem größten Teil
ihrer Länge über diese hinaussteht.
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Aus dem vorstehend Gesagten geht hervor, dass der Rohling durch seine
einfache Form sehr leicht herzustellen, damit kostengünstig ist und vor allem
stabile geometrische Eigenschaften hat, die seine Verwendung ohne
Nachbearbeitungen ermöglicht, außer denen, die zur Herstellung der Schneidkanten erforderlich
sind. Damit können diese Anlageflächen im unbearbeiteten Zustand in der
triedrischen Aufnahme angeordnet werden.
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Wenn die Platte eingesetzt wird, kommen diese Anlageflächen in Kontakt mit
denen, die sich gegenüber der Aufnahme befinden, und dies umso leichter, wenn
die Kanten, die diese Positionierung stören können, durch die Seitenfasen 33 und
34 und durch die Freigabenuten 26 bis 28 ersetzt sind. Wenn die Schraube 35
angezogen wird, erzeugt das Aufliegen ihres Senkkopfes auf dem schalenförmigen
Bereich 32 der Platte auf der Platte und durch die exzentrische Anordnung L3 - L2
eine transversale Komponente C, die die Anlageflächen, nämlich die hintere 21p
und die seitliche 21l, gegen die entsprechenden Flächen 24 und 25 der Aufnahme
zu drücken und die Positionierung dieser Platte, also ihrer Schneidkanten, zu
garantieren sucht.
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Durch diese Positionierung fällt der Punkt Pm der Schneidkante 13 mit dem
Bezugspunkt Pr der Neigungsachse D zusammen, es sei denn, der Punkt Pm ist
deutlich über dem Punkt Pr angeordnet, wie in Fig. 7 gezeigt, die der
Positionierung einer neuen Platte entspricht, deren Schneidkanten vor der Diametralebene
Pd angeordnet sind.
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Im Übrigen ist der Abstand g in Fig. 7 absichtlich übertrieben groß und
reicht der Radialabstand zwischen den Punkten Pm und Pr in der Praxis nicht aus,
um die Position der Hauptschneidkante 13 über die akzeptierten Werte hinaus zu
verändern, und beträgt beispielsweise etwa 0,5 mm.
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Fig. 7 zeigt, dass sich aus der Neigung der Aufnahme um die
Neigungsachse D entsprechend einem Winkel a, der einen Wert von 6 bis 15º hat, für die
Kante 13 eine Schleifschräge ergibt, die eine Verringerung der Schneidkraft und
somit der Kräfte, die die Platte beanspruchen, erlaubt, wobei das Hämmern deren
Starrheit verringern kann, aber auch eine Verringerung der für die Bearbeitung
nötigen Kraft.
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Schließlich zeigt Fig. 6, dass sich durch die genaue Positionierung der
Schneidkanten die Resultierende Rc der Gegenkräfte der Schneidkräfte, wie sie im
Oberbegriff definiert sind, zwischen den äußeren Auflagepunkten 41, 42 der Platte
auf der Aufnahme 22 befindet und somit keine Tendenz hat, die Platte zum Kippen
oder Drehen zu bringen.
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Aus dem Vorgesagten geht hervor, dass der Plattenhalter und die Platte der
Erfindung ein Werkzeug darstellen, das die Bearbeitungsbedingungen für profilierte
zylindrische Auflageflächen erheblich verbessert und selbst bei
widerstandsfähigsten Materialien ein Arbeiten unter besseren Bedingungen hinsichtlich Genauigkeit
und Oberflächenzustand erlaubt und dabei gleichzeitig die Zentriergenauigkeit der
Bearbeitung bezüglich der virtuellen Achse des Sitzes erhöht.
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Das Werkzeug, das für den Fall seiner Anwendung bei der Bearbeitung und
Erneuerung von Ventilsitzen mit Positionierung der Spindel mittels einer
Steuerstange beschrieben wurde, ist selbstverständlich auch für beliebige andere
Bearbeitungen einsetzbar, und zwar mit oder ohne Positionierung durch eine
Steuerstange und unter Einsatz einer austauschbaren Platte, die in einem Plattenhalter
befestigt ist, der verstellbar ist oder nicht, d. h. auf einem Werkzeugträger
angebracht oder in dem Werkzeugträger gebildet ist.
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Ebenso ist die Herstellung der Schleifschräge durch Kippen der Aufnahme
auf jede Platte anwendbar, deren Schneidprofil von einer oder mehreren
Schneidkanten definiert wird, von denen eine besonders geeignet sein kann, um die
Kippachse zu bilden.