DE69104663T2

DE69104663T2 - Bearbeitungsvorrichtung für Ventilsitze.

Info

Publication number: DE69104663T2
Application number: DE69104663T
Authority: DE
Inventors: Leonard W Biera; William F Crawford; John Kobane Jr; Jack R Settimo
Original assignee: Western Atlas International Inc
Current assignee: Western Atlas International Inc
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1991-07-18
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2011-07-19
Also published as: EP0467372A2; US5044841A; EP0467372A3; EP0467372B1; DE69104663D1; CA2040101A1; CA2040101C; ES2061129T3

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Ventilvorrichtungen von Verbrennungskraftmaschinen und speziell eine Bearbeitungsvorrichtung für Ventilsitze und schaftführungen für Ventile.

Hintergrund der Erfindung

Bei Verbrennungskraftmaschinen sind die Ein- und Auslaßventile üblicherweise im Zylinderkopf oder -block vorgesehen. Normalerweise weist jedes Ventil einen in einer Ventilführungsbüchse gleitfähigen Schaft und einen auf einem Sitz aufliegenden und entsprechend angepaßten Kopf auf, um eine Dichtung gegen Flüssigkeitsdurchtritt zu bewirken. Üblicherweise sind sowohld der Ventilsitz als auch die Führungsbüchse ein einstückiges Teil eines gußeisernen Kopfes oder Blocks oder Einsätz aus Gußeisen, gesintertem Eisen o.ä. in einen Kopf oder Block aus einem anderen Metall, wie z.B. Aluminium oder Magnesium. Bei der Massenproduktion moderner Maschinen ist es notwendig, daß mehrere miteinander verbunden, und daß diese Flächen konzentrisch mit der Bohrung der zugehörigen Ventilführung oder -büchse stehen. Es wurden daher viele verschiedene Werkzeugmaschinen. Werkzeugköpfe und Vorschläge entwickelt, um die Ventiloberflächen und die angrenzende Ventilschaftbohrung zu bearbeiten. Üblicherweise werden die Bohrungs- und ventilsitzflächen mit verschiedenen werkzeugköpfen bearbeitet, die jeweils angesteuerte Werkzeuge nutzen und einen Zugang von beiden Seiten des Kopfes oder Blockes erfordern.
Die deutsche Patentschrift DE-C-905-808 beschreibt einen Werkzeughalter zum Bearbeiten eines ringförmigen Ventilsitzes, der konzentrisch zu einer bereits existierenden Ventilführung in einem Werkstück steht. Der Werkzeughalter weist einen Werkzeugschlitten auf, auf dem ein Schneidwerkzeug angebracht ist, sowie eine Führungseinrichtung zur Aufnahme des Werkzeugschlittens auf dem Werkzeugkopf zur Bewegung des Werkzeugs auf einer Linie, die eine mit der Ventilführung ausgerichtete Rotationsachse schneidet. Bei diesem Werkzeughalter ist es notwendig, die Ventilführung zunächst mit einem Relbwerkzeug zu bearbeiten. Danach ist es moglich, den Ventilsitz mit dem Werkzeug zu bearbeiten, wobei die konzentrische Stellung durch Einführen einer zylindrischen Büchse in die Ventilführung sichergestellt wird.
Diese bekannten Verfahren erfordern üblicherweise zwei oder drei voneinander getrennte Bearbeitungsgänge zum Bearbeiten der verschiedenen Oberflächen des Ventilsitzes und sind dementsprechend relativ teuer bei der Implementierung bzw. bieten nicht die für moderne Massenproduktion notwendige Genauigkeit und Zuverlässigkeit.

Zusammenfassung der Erfindung

In Anspruch 1 wird ein Werkzeugkopf definiert, der sowohl mehrere Oberflächen eines Ventilsitzes bearbeitet und die zugehörige Ventilführungsbohrung reibt, wobei alle Bearbeitungsschritte von der Ventilsitzseite eines Kopfes oder Blocks ohne getrenntes Führen der Schneidwerkzeuge durchführbar sind. Vorzugsweise werden mehrere Oberflächen des Ventilsitzes in einem Durchgang durch ein auf zwei Achsen bewegbares Ein-Punkt-Schneidwerkzeug bearbeitet, bevor oder nach dem die Ventilführungsbohrung durch eine Reibahle oder ein Tiefbohrwerkzeug bearbeitet wird. Vorzugsweise wird die Bewegung des Ein-Punkt-Schneidwerkzeug numerisch gesteuert.
Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind es, einen Werkzeugkopf zum Bearbeiten von Ventilsitzen und Ventilführungen anzugeben, der sowohl mehrere Ventilsitzflächen als auch die zugehörige Führung fertigbearbeitet, einen Ventilsitz und die Führung ohne geführte Werkzeuge bearbeitet, den Sitz und die Führung von einer Seite des Kopfes oder Blocks aus bearbeitet, eine Vielfalt von Sitzen - entweder Einlaß oder Auslaß - mit verschiedenen Größen oder Sitzwinkeln innerhalb des Betätigungshubs der Betätigungselemente und unter Verwendung des gleichen Werkzeugkopfes bearbeiten kann, mehrere Ventilsitzflächen in einem Durchgang fein bearbeitet, die Ventilsitzflächen und die Führungsbohrungsflächen mit deutlich verbesserter Genauigkeit, Konzentrizität und Wiederholb arkeit fertigbearbeitet, robust ist, mit großer Lebensdauer, ökonomisch herstellbar, mit einfacher Gestaltung und der bei Verwendung schnell in kurzen Zyklen bei langen Wartungsintervallen arbeitet.

Kurzbeschreibung der Figuren

Diese und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im folgenden unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine fragmentarische Seitenansicht einer Bearbeitungsstation mit einem die Erfindung aufweisenden Werkzeugkopf zur Fertigbearbeltung von mehreren Flächen eines Ventilsitzes und der zugehörigen Führung;
Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht eines Zylinderkopfes mit einem Ventilsitz und einer zugehörigen Führungsbüchse, die durch den Werkzeugkopf und die Maschine aus Fig. 1 fertigbearbeitet wurde;
Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht des Werkzeugkopfs aus Fig. 1; und
Fig. 4 ein Diagramm mit der programmierbaren numerischen Steuerung (CNC) für verschiedene Betätigungselemente.

Beschreibung

Wie in den Figuren gezeigt, weist die Bearbeitungsvorrichtung 10 eine Reibahle 12 und ein Ein-Punkt-Werkzeug 14 (Schneidwerkzeug) auf, die durch einen Werkzeugkopf 16 getragen werden. Der Werkzeugkopf 16 wird geführt und ist an einem fest mit einer Spindel 18 verbundenen Adapter 27 befestigt. Die Splndel 18 rotiert in einem auf einer Unterplatte 22 befestigten Gehäuse 20. Die Unterplatte 22 ist auf einer Präzisionsschlitteneinheit 21 zum Hin- und Herbewegen in Richtungen parallel zur Drehachse der Spindel 18 aufgesetzt.
Die Reibahle 12 ist axial bewegbar in einem Durchgang 23 und einer Führungsbüchse 25 in dem Werkzeugkopf 16 gehalten und erstreckt sich aus dem Werkzeugkopf entlang der Rotationsachse der Spindel 18 nach außen. Das Schneidwerkzeug 14 ist auf einem Werkzeugschlitten 24 befestigt. Der Schlitten 24 ist in eine Führung 26 (Nut) im Werkzeugkopf 16 gleitend bewegbar eingesetzt, so daß das Werkzeug 14 sich auf einer die Rotationsachse der Spindel 18 vorteilhafterweise in einem Spitzwinkel von 45º bis 90º schneidenden Linie bewegt. Somit ist das Schneidwerkzeug 14 quer oder allgemein radial verstellbar auf dem Werkzeugkopf befestigt.
Ein Spindelantriebsmotor 28 ist auf einem an der Unterplatte 22 befestigten Rahmen 30 angebracht. Zum Drehen der Spindel 18 durch den Motor 28 erstreckt sich ein Riemen 32 über ein Scheibenrad 34 auf der Motorausgangswelle 36 und über ein Scheibenrad 37 auf der Spindel 18.
Ein äußerer Steuerstab 38 für das Schneidwerkzeug 14 ist an einem Werkzeugbetätigungsstab 47 befestigt, der gleitfähig in einem Sackloch 39 im Werkzeugkopf 16 und durch eine Bohrung 40 im Adapter 27 konzentrisch mit der Drehachse der Spindel aufgenommen ist. Der Steuerstab 38 bewegt sich innerhalb einer Hohlwelle 43 in Längsrichtung in einem auf der Unterplatte 22 befestigten Gehäuse 41. Ein zylindrischer Nocken 42 erstreckt sich von der Unterseite des Werkzeugschlittens 24 durch einen länglichen Schlitz 44 in den Boden der Nut 26 im rechten Winkel zur Nut 26 und auf eine Linie, die die Rotationsachse der Spindel 18 schneidet. Der Nocken 42 wird gleitfähig in einer zylindrischen Aufnahme 46 im Werkzeugbetätigungsstab 47 aufgenommen, so daß die Längsbewegung des äußeren Steuerstabs 38 die Bewegung des Werkzeugschlittens 24 in der Nut 26 und die entsprechende Bewegung des Werkzeugs 14 bewirkt.
Ein innerer Steuerstab 50 für die Reibahle 12 erstreckt sich durch den äußeren Steuerstab 38 und ist mit einer axial beweglich in der Durchgangsbohrung 51 im Werkzeugbetätigungsstab 47 aufgenommenen Spannzange 52 verbunden. Die Reibahle 12 wird durch die Spannzange 52 gehalten, wobei die Reibahle 12 durch die Bewegung des inneren Steuerstabs 50 in Längsrichtung aus- und eingefahren werden kann. Mit dem inneren Steuerstab 50 ist eine Kühlmitteleinheit 48 verbunden, um der Reibahle 12 während des Bearbeitungsvorgangs Kühlmittel zuzuführen.
Die Schlitteneinheit 21 wird durch eine vorzugsweise in Form eines servogesteuerten Präzisionskugelspindelantriebs ausgeführten Betätigungseinrichtung 64 hin- und herbewegt, um die Schneidtiefe des Werkzeugkopfes 16 und die Längsbewegung (vorzugsweise schnelles Anfahren) der Reibahle 12 entlang der Z- Achse zu steuern.
Der äußere Steuerstab 38 wird durch eine am Gehäuse 41 befestigte Betätigungseinrichtung 66 angetrieben. Die Betätigungseinrichtung 66 weist einen Kugelspindelantrieb 70 auf. Eine Mutter 71 des Kugelspindelantriebs ist mit der Hohlwelle 43 über einen Arm oder einen Querverbinder 72 verbunden, um den äußeren Steuerstab in Abhängigkeit von dem Betrieb des Kugelspindelantriebs hin- und herzubewegen. Diese Bewegung des Stabs 38 steuert die Querbewegung des Schneidwerkzeugs 14 entlang der X-Achse während der Zu- und Rückführhübe.
Der innere Steuerstab 50 wird durch eine am Gehäuse 41 befestigte Betätigungseinrichtung 74 angetrieben. Die Betätigungseinrichtung 74 weist einen Kugelspindelantrieb 76 auf. Eine Mutter 77 des Kugelspindelantriebs ist mit dem inneren Steuerstab 50 uber einen Arm oder Querverbinder 78 verbunden, um den inneren Steuerstab und die Reibahle 12 entlang der Z-Achse während der Zu- und Rückführhübe in Abhängigkeit von dem Betrieb des Kugelspindelantriebs hinund herzubewegen.
Die servogesteuerten Kugelspindelantriebe 64, 66 und 74 können unabhängig voneinander oder miteinander synchronisiert betätigt werden und werden durch eine programmierbare numerische Steuerung (CNC) 80 gesteuert.
Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Teils eines Werkstücks W, wie z.B. einen Zylinderkopf, mit einem Ventilsitz 54 und einer zugehörigen Ventilschaftführung 56. Der gezeigte Ventilsitz weist drei aneinanderangrenzende kegelstumpfförmige Flächen 58, 60 und 62 auf, die an den Kopf eines Ventils (nicht dargestellt) zum Vermeiden von Flüssigkeitsdurchtritt angepaßt sind. Die Ventilschaftführung ist eine zylindrische Bohrung, die in bezug auf die Flächen 58, 60 und 62 des Ventilsitzes konzentrisch bzw. zentriert ist und die den Schaft eines Ventils gleitfähig aufnehmen und führen kann. Das Werkstück W ist auf einem Support 63 befestigt, wobei die Ventilschaftführung 56 mit der Reibahle 12 ausgerichtet und mit der Spindel 18 konzentrisch ist.
Im Betrieb führt die Bearbeitungsvorrichtung 10 zwei Maschinensequenzen in beliebiger Reihenfolge durch.
In einer Sequenz, in der die Ventilschaftführung oder Bohrung 56 bearbeitet wird, wird das Werkstück W auf dem Support 63 in einer Stellung befestigt, in der die Ventilschaftführung oder Bohrung 56 mit der Reibahle 12 ausgerichtet ist. Die Betätigungseinrichtung 64 führt die Präzisionsschlitteneinheit 21 von einer Startstellung in eine vorbestimmte Stellung relativ zum Werkstück W. Die Betätigungseinrichtung 74 führt den inneren Kontrollstab 50, der daraufhin die Reibahle 12 in das Werkstück zum Bearbeiten der Ventilschaftführung 56 zuführt. Danach zieht die Betätigungseinrichtung 74 den inneren Kontrollstab 50 schnell zurück, der wiederum die Reibahle 12 zurückzieht.
In der nächsten Sequenz, in der die Ventilsitzflächen 58, 60 und 62 bearbeitet werden und in der sich die Präzisionsschlitteneinheit 21 noch in der gleichen 10 Stellung wie bei der ersten Sequenz befindet, werden die Betätigungseinrichtungen 64 und 66 gleichzeitig durch die CNC-Steuerung 80 gesteuert und betätigt. um die Präzisionsschlitteneinheit 21 und den äußeren Steuerstab 38 zu bewegen. was zu einer Bewegung des Werkzeugschlittens 24 aufgrund des Zusammenwirkens des Nockens 42 und der Aufnahme 46 im Kopf 16 führt, um die Ventilsitzflächen 58, 60 und 62 zu bearbeiten. Die Betätigungseinrichtungen 64 und 66 werden betrieben. um zunächst die Schlitteneinheit 21 und danach den Kontrollstab 38 in ihre Ausgangsstellungen schnell zurückzuführen. Wenn die Schlitteneinheit 21 und der Werkzeugschlitten 24 zurück in ihre Startstellungen gelangt sind, fährt die Schlitteneinheit 21 zügig zurück in ihre Ausgangsstellung und ist dann bereit, einen weiteren Ventilsitz oder eine weitere Führung zu bearbeiten.
Es sei darauf hingewiesen, daß jede Kontur einer Schaftbohrung und eines Ventilsitzes unter Verwendung der gleichzeitig gesteuerten Präzisionsschlitten 21 und Werkzeugschlitten 24 bearbeitet werden können, solange sie sich innerhalb der Hubbereiche der Vorrichtung befinden.
Wenn gewünscht, können diese Maschinensequenzen auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden.

Claims

1. Bearbeitungsvorrichtung für einen ringförmigen Ventilsitz und eine im Verhältnis dazu konzentrische Ventilführung eines Werkstücks (W), mit einem Support (63) für das Werkstück, einem Werkzeugkopf (16), einer Einrichtung (18, 20, ...) zum Tragen des Werkzeugkopfs nahe bei dem Support (63) zum Drehen um eine mit der Ventilführung des getragenen Werkstücks ausgerichteten Achse und zum axialen Bewegen zu dem Werkstück (W) hin und von diesem weg, einem Werkzeugschlitten (24), einem auf dem Werkzeugschlitten angebrachten Schneidwerkzeug (14), einer den Werkzeugschlitten auf dem Werkzeugkopf tragenden Führung (26) zum Bewegen des Werkzeugs auf einer die Drehachsen schneidenden Linie, und einem ersten Antrieb (28) zum axialen Drehen des Werkzeugkopfs, gekennzeichnet durch eine auf dem Werkzeugkopf (16) koaxialmit der Drehachse des Werkzeugkopfs (16) angebrachte Reibahle (12), einen zweiten Antrieb (64) zum axialen Bewegen des Werkzeugkopfs (16), einen dritten Antrieb (66) zum Bewegen des Werkzeugschlittens (24) entlang der Führung (26), eine Einrichtung (74) zum axialen Bewegen der Reibahle (12) relativ zu dem Werkzeugkopf (16), und durch eine Steuereinrichtung (80) zum Koordinieren des Betriebs des zweiten (64) und des dritten (66) Antriebs sowie der Einrichtung zum axialen Bewegen der Reibahle, um die Ventilführung durch die Reibahle (12) und den Ventilsitz durch das Schneidwerkzeug (14) zu bearbeiten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (74) zum axialen Bewegen der Reibahle (12) relativ zu dem Werkzeugkopf (16) der vierte Antrieb ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung (26) den Schlitten zum radialen Bewegen des Werkzeugs entlang einer einen spitzen Winkel mit der Drehachse des Werkzeugkopfs bildenden Linie trägt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Antrieb zum Bewegen des Werkzeugschlittens einen auf dem Werkzeugkopf befestigten Steuerstab (38) zur längsgerichteten Gleitbewegung entlang der Drehachse des Werkzeugkopfs aufweist, sowie einen Nocken (42) zum Bewegen des Schlittens auf der Führung in Abhängigkeit von der längsgerichteten Bewegung des Steuerstabs.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Antrieb (74) zum axialen Bewegen der Reibahle relativ zu dem Werkzeugkopf einen mit der Reibahle verbundenen und innerhalb des erstgenannten Steuerstabs (38) axial gleitfähig befestigten, zweiten Steuerstab (50) aufweist.