EP0543079A1

EP0543079A1 - Verfahren zum numerisch gesteuerten Schleifen von Nocken einer Nockenwelle

Info

Publication number: EP0543079A1
Application number: EP92109425A
Authority: EP
Inventors: Horst Josef Wedeniwski
Original assignee: Schaudt Maschinenbau GmbH; Fortuna Werke Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: C.NE EPO REG.20;SCHAUDT MASCHINENBAU GMBH
Priority date: 1991-11-18
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1993-05-26
Anticipated expiration: 2012-06-04
Also published as: DE4137924C2; US5392566A; EP0543079B1; DE59205161D1; DE4137924C1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dienen zum numerisch gesteuerten Schleifen von Nocken (41) einer Nockenwelle, bei dem in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Nockenkontur (51, 52) die Nockenwelle um ihre Längsachse (42) gedreht und zugleich eine Schleifscheibe in einer Richtung senkrecht zur Längsachse (42) zugestellt wird, wobei die Nockenkontur (51, 52) im Anlaufbereich (13a) und im Ablaufbereich (13b) des Nockens (41) eine konkave Krümmung aufweist. Der Nocken (41) wird zunächst mit einer ersten Schleifscheibe geschliffen, deren Radius sehr viel größer als der minimale Krümmungsradius der konkaven Krümmung ist, wobei die erste Schleifscheibe entlang einer ersten Nockenkontur (51) geführt wird, die im Bereich der konkaven Krümmung modifiziert ist, derart, daß der minimale Krümmungsradius größer als oder gleich groß wie der Radius der ersten Schleifscheibe ist, so daß in dem Bereich der konkaven Krümmung eine außerhalb der unmodifizierten ersten Kontur (51) liegende Zone (55a, 55b) stehenbleibt, und daß dann mit einer zweiten Schleifscheibe (35) geschliffen wird, deren Radius (RS2) kleiner als der minimale Krümmungsradius der konkaven Krümmung ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum numerisch gesteuerten Schleifen von Nocken einer Nockenwelle, bei dem in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Nockenkontur die Nockenwelle um ihre Längsachse gedreht und zugleich eine Schleifscheibe in einer Richtung senkrecht zur Längsachse zugestellt wird, wobei die Nockenkontur im Anlaufbereich und im Ablaufbereich des Nockens eine konkave Krümmung aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens mit einem ersten Schleifschlitten, der in einer Richtung senkrecht zur Längsachse beweglich ist und eine erste Schleifscheibe trägt.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art sind bekannt.
In dem DE-Buch "Die Steuerung des Gaswechsels in schnellaufenden Verbrennungsmotoren" von W.-D. Bensinger, Springer-Verlag, 1968, sind u.a. Nockenformen beschrieben, bei denen die Flanken, d.h. die Verbindungsabschnitte von Grundkreis und Nebenkreis nicht die übliche konvexe Form, sondern vielmehr eine konkave Form aufweisen, die auch als "hohle Flanke" bezeichnet wird (DE-Buch, Seite 31, Figur 40c).
Derartige Nockenformen werden im Motorenbau eingesetzt, um ein gutes Füllungsverhalten der Brennräume durch eine schnelle Ventilbetätigung zu erreichen. Zwar ist es auch möglich, derartiges durch Anwendung der Mehrventiltechnik zu erreichen, die Mehrventiltechnik ist jedoch im wesentlichen nur bei hohen Motordrehzahlen wirksam, während eine Nockenform mit hohler Flanke das Füllungsverhalten auch bei niedrigen Drehzahlen verbessert.
Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen wurden jedoch stets Nocken geschliffen, bei denen der Krümmungsradius im Bereich der konkaven Krümmung (der hohlen Flanke) mindestens so groß war wie der Krümmungsradius der verwendeten, einzigen Schleifscheibe. Es war daher aus geometrischen Gründen möglich, derartige Nocken in einer Aufspannung mit ein- und derselben Schleifscheibe zu schleifen, d.h. zunächst zu schruppen und dann zu schlichten.
Wenn bei derartigen bekannten Nocken daher Bereiche konkaver Krümmung gewünscht waren, deren Krümmungsradius relativ klein war, so mußte eine entsprechend kleine Schleifscheibe eingesetzt werden.
Der Einsatz von Schleifscheiben mit kleinem Durchmesser stößt jedoch sehr bald an praktische Grenzen, wenn die gesamte Nockenbearbeitung, d.h. sowohl das Schruppen wie auch das Schlichten, mit derselben kleinen Schleifscheibe durchgeführt werden soll. So ergeben sich nämlich zum einen thermische Probleme an der Schleifscheibenoberfläche, die bei Schleifscheiben mit kleinerem Durchmesser naturgemäß größer sind als bei solchen mit großem Durchmesser. Weiterhin ist es problematisch, Schleifscheiben mit kleinem Durchmesser derart in einer Spindel zu lagern, daß die erforderlichen Drehzahlen und Antriebsleistungen aufgebracht werden können, weil die Schleifscheibe sich üblicherweise um eine Achse dreht, die parallel zur Nockenwellenachse liegt. Dann besteht jedoch die Gefahr, daß die Lagerung der Schleifscheibe in Kollision mit benachbarten, noch unbearbeiteten oder bereits bearbeiteten Nocken derselben Nockenwelle gerät, wenn die Spindel im Durchmesser so groß ist wie die Schleifscheibe. Zwar könnte man die Schleifscheibe auch in an sich bekannter Weise um eine Achse drehen lassen, die zur Längsachse der Nockenwelle geneigt ist, indem der Schleifscheibe eine konische Oberfläche verliehen wird, dies führt jedoch zu Formfehlern, weil beim numerisch gesteuerten Nockenschleifen mit gleichzeitiger Drehung der Nockenwelle und Bewegung der Schleifscheibe senkrecht zur Nockenwelle (X-Achse) die Eingriffslinie der Schleifscheibe am Nocken in einer Richtung senkrecht zur X-Achse wandert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß Nocken mit hohler Flanke, d.h. konkaver Krümmung, schnell, d.h. mit hoher Antriebsleistung und mit präziser Nockenkontur geschliffen werden können.
Gemäß dem eingangs genannten Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Nocken zunächst mit einer Schleifscheibe geschliffen wird, deren Radius sehr viel größer als der minimale Krümmungsradius der konkaven Krümmung ist, wobei die erste Schleifscheibe entlang einer ersten Nockenkontur geführt wird, die im Bereich der konkaven Krümmung modifiziert ist, derart, daß deren minimaler Krümmungsradius größer als oder gleich groß wie der Radius der ersten Schleifscheibe ist, so daß in dem Bereich der konkaven Krümmung eine außerhalb der unmodifizierten ersten Kontur liegende Zone stehenbleibt, und daß dann mit einer zweiten Schleifscheibe geschliffen wird, deren Radius kleiner als der minimale Krümmungsradius der konkaven Krümmung ist.
Die Aufgabe wird ferner durch eine eingangs genannte Vorrichtung mit einem ersten Schleifschlitten, der in einer Richtung senkrecht zur Längsachse beweglich ist und eine erste Schleifscheibe trägt, gelöst, indem auf dem ersten Schleifschlitten ein zweiter Schleifschlitten angeordnet ist, der relativ zum ersten Schleifschlitten ebenfalls in einer Richtung senkrecht zur Längsachse beweglich ist und eine zweite Schleifscheibe trägt, derart, daß mittels einer Bewegung des zweiten Schleifschlittens auf dem ersten Schleifschlitten wahlweise die erste oder die zweite Schleifscheibe in Eingriff mit dem Nocken bringbar ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Gemäß der Erfindung wird nämlich die Bearbeitung des Nockens in zwei Abschnitte unterteilt, wobei eine herkömmliche große Schleifscheibe in einem ersten Bearbeitungsschritt den wesentlichen Anteil des Aufmaßes entfernt und man dabei bewußt in Kauf nimmt, daß im Bereich der konkaven Krümmung die genannte Zone stehenbleibt, die für die große Schleifscheibe infolge deren großen Radius nicht erreichbar ist. Diese Zone wird dann in einem zweiten Schritt mittels der kleinen Schleifscheibe entfernt, die zugleich in einem nachfolgenden Schritt die Endbearbeitung der gewünschten Nockenkontur übernimmt. Auf diese Weise ist es möglich, der großen Schleifscheibe, bei der konstruktive Raumprobleme nicht bestehen, einen üblichen Antrieb großer Leistung zuzuordnen, während die kleine Schleifscheibe, bei der im Antriebs- bzw. Lagerbereich enge konstruktive räumliche Verhältnisse herrschen, nur mit einem kleineren Antrieb geringerer Leistung versehen werden muß, da die kleine Schleifscheibe nur die stehengebliebene Zone und einen geringen Anteil des Aufmaßes zu schleifen braucht, wie dies üblicherweise in einem Schlichtschleifvorgang geschieht. Diese Umstände wirken sich auch positiv auf die Lebensdauer der Schleifscheiben aus, weil eine große Schleifscheibe weit eher in der Lage ist, große Volumina an Material zu zerspanen als kleine Schleifscheiben, jeweils bezogen auf dieselbe Standzeit.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es daher erstmals möglich, Nocken mit hohlen Flanken großtechnisch mit Bearbeitungszeiten zu schleifen, wie sie beim Nockenschleifen von Nockenwellen üblicher Bauart, d.h. mit konvex gekrümmten Flanken, derzeit Stand der Technik sind, d.h. etwa drei bis vier Sekunden pro Nocken betragen, ohne daß dadurch die Standzeit der Schleifscheiben beeinträchtigt wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Nocken nach dem Schleifen mit der ersten Schleifscheibe stillgesetzt und die Zone mit der zweiten Schleifscheibe im Einstechschleifen im wesentlichen ausgeschliffen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß in einer sehr schnellen Operation praktisch die gesamte Zone ausgeschliffen werden kann, wobei ein zeitraubender Bahnbetrieb nicht erforderlich ist, weil der Nocken während dieser Phase der Bearbeitung stillsteht und die zweite, kleine Schleifscheibe lediglich im Zustellbetrieb in die Zone eintaucht. Da üblicherweise die Nockenkontur im Bereich der konkaven Krümmung wesentlich die Form eines Kreisbogens hat, kann durch einmaliges Eintauchen der zweiten Schleifscheibe die stehengebliebene Zone nahezu vollständig ausgeschliffen werden.
Bei einer Weiterbildung des vorstehend genannten Ausführungsbeispiels wird der Nocken nach dem Einstechschleifen wieder gedreht und mit der zweiten Schleifscheibe entlang einer innerhalb der ersten Kontur liegenden zweiten Kontur geschliffen.
Diese Maßnahme hat den bereits weiter oben erwähnten Vorteil, daß der letzte Bearbeitungsvorgang, nämlich üblicherweise das Schlichtschleifen, von der zweiten, kleinen Schleifscheibe übernommen wird, was weder unter dem Gesichtspunkt der Bearbeitungszeit, noch unter dem Gesichtspunkt der Standzeit problematisch ist, weil bei diesem letzten Schleifvorgang nur sehr geringe Materialvolumina zerspant werden.
Bei einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Radius der zweiten Schleifscheibe nach der Beziehung:

dimensioniert, wobei ρ_{k min} der minimale Krümmungsradius der konkaven Krümmung, d²S_N/dφ² die Umfangsbeschleunigung der Eingriffslinie der zweiten Schleifscheibe im Bereich der konkaven Krümmung und ω_k die Winkelgeschwindigkeit der Nockenwelle um ihre Längsachse sind, und K zwischen 0,6 für große Winkelgeschwindigkeiten (ω_k > 8.000 Grad/min) und 0,9 für kleine Winkelgeschwindigkeiten (ω_k < 4.000 Grad/min) liegt.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der größtmögliche Radius der zweiten Schleifscheibe eingestellt wird, der auch unter Berücksichtigung dynamischer Effekte, d.h. sich einstellender Schleppfehler, in der Lage ist, den Bereich der konkaven Krümmung ohne Formfehler auszuschleifen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Nockens mit hohlen Flanken (nicht maßstäblich);
Fig. 2: eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 3: eine Draufsicht auf die in Fig. 2 gezeigte Anordnung;
Fig. 4 bis 7: vier Phasenbilder zur Erläuterung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist (nicht maßstäblich) ein Nocken 10 dargestellt, wie er für Nockenwellen von Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt wird.
Der Nocken 10 ist um eine Drehachse 11 drehbar, die zugleich die Längsachse der nicht dargestellten Nockenwelle ist.
Der Nocken 10 weist in bekannter Weise einen Grundkreisabschnitt 12 mit einem Radius R_G auf, dessen Mittelpunkt mit der Drehachse 11 zusammenfällt. An den Grundkreisabschnitt 12, der im Nocken 10 einen Umfangswinkel φ_G einnimmt, schließen sich über den Vornockenbereich 15a/15b an der Anlaufseite ein konkaver Flankenabschnitt 13a und an der gegenüberliegenden Ablaufseite ein zweiter konkaver Flankenabschnitt 13b des Nockens 10 an, die jeweils einen Umfangsabschnitt φ_k einnehmen. Die Vornockenabschnitte 15a und 15b des Nockens 10 haben einen konvexen gekrümmten Bereich als Übergang zwischen Grundkreisabschnitt 12 und Flankenabschnitt 13a und 13b unter einem Umfangswinkel φ_v. Die Nockenkontur weist dann in dem Spitzenbereich einen konvexen Abschnitt 14 auf, der einen variablen. Radius ρ_S besitzt. Der Spitzenkreisabschnitt 14 nimmt einen Umfangswinkel φ_S ein.
Wie man nun aus Fig. 1 deutlich erkennt, ist der Nocken 10 in seiner Kontur so angelegt, daß der Anlaufabschnitt 13a und der Ablaufabschnitt 13b, d.h. die Nockenflanken, nicht in der üblichen Weise konvex, sondern vielmehr konkav gekrümmt sind. Diese Erscheinung bezeichnet man auch als "hohle Flanken".
Der Sinn dieser Maßnahme ist, bei der Betätigung der Tassenstößel für die Ventile des Motors einen schnelleren Anlauf bzw. Ablauf vom Nebenkreisabschnitt 14 zu erreichen, so daß das Füllungsverhalten der Brennräume verbessert wird.
In Fig. 1 ist ferner mit ρ_k der Krümmungsradius der Abschnitte 13a, 13b eingezeichnet, wobei deutlich ist, daß dieser Krümmungsradius φ_k den Krümmungsradien R_G und ρ_S von Grundkreisabschnitt 12 und Spitzenkreisabschnitt 14 entgegengerichtet ist. Es versteht sich, daß der Krümmungsradius ρ_k nicht konstant ist. Der minimale Krümmungsradius ρ_{k min} der Abschnitte 13a und 13b ist daher eine wichtige Größe für die Bearbeitung dieser Abschnitte 13a und 13b.
So ist beispielsweise ohne weiteres einsichtig, daß die Abschnitte 13a und 13b nur mit einer Schleifscheibe ausgeschliffen werden können, deren Radius kleiner ist als der minimale Krümmungsradius ρ_{k min}, weil sonst Formfehler entstünden. In der Praxis wählt man den Radius der Schleifscheibe sogar noch deutlich kleiner, um die Schmiegung kleiner zu halten, so daß die Berührung zwischen der Schleifscheibe und dem Werkstück im konkaven Bereich einer Kontaktlinie entspricht.
In den übrigen Bereichen der Nockenkontur, nämlich im Grundkreisabschnitt 12, im Vornockenabschnitt 15a/15b und im Spitzenkreisabschnitt 14 spielt der Radius der Schleifscheibe unter dem Gesichtspunkt der Formtreue hingegen keine Rolle, weil diese Bereiche konvex gekrümmt sind und daher zumindest theoretisch mit Schleifscheiben eines beliebigen Radius geschliffen werden können.
In den Figuren 2 und 3 ist - äußerst schematisch - ein Ausführungsbeispiel einer Schleifmaschine dargestellt, die insgesamt mit 20 bezeichnet ist.
Bei der Schleifmaschine 20 ist auf einem nicht näher dargestellten Maschinengestell 21 ein erster Schleifschlitten 22 in herkömmlicher Weise in Richtung eines Pfeils 23 verschiebbar angeordnet.
Der Pfeil 23 kennzeichnet in der Fachsprache des Schleifmaschinenbaus die sogenannte X-Achse.
Auf dem ersten Schleifschlitten 22 befindet sich ein erster Antriebsmotor 24, der über einen ersten Riementrieb 25 eine erste Schleifscheibe 26 mit großem Radius antreibt. Die erste Schleifscheibe 26 ist in einem ersten Spindelstock 27 gelagert.
Insoweit ist die Schleifmaschine 20 von herkömmlichem Aufbau.
Auf der Oberseite des ersten Spindelstocks 27 ist nun jedoch ein zweiter Schleifschlitten 30 angeordnet. Hierzu ist der zweite Schleifschlitten 30 beispielsweise in der Seitenansicht der Fig. 2 L-förmig mit einem waagrechten Schenkel und einem senkrechten Schenkel ausgebildet.
Durch eine entsprechende Längsführung mit Vorschubeinrichtung ist der zweite Schleifschlitten 30 relativ zum ersten Schleifschlitten 22 entlang eines Pfeils 32 verfahrbar, der parallel zur X-Achse (Pfeil 23) verläuft.
Der horizontale Schenkel des zweiten Schleifschlittens 30 trägt einen zweiten Antriebsmotor 33, der über einen zweiten Riementrieb 34 eine zweite Schleifscheibe 35 antreibt. Die zweite Schleifscheibe 35 ist in einem zweiten Spindelstock 36 gelagert, der sich vorne auf dem vertikalen Schenkel des zweiten Schleifschlittens 30 befindet. Die zweite Schleifscheibe 35 ist von wesentlich kleinerem Radius als die erste Schleifscheibe 26.
In der in Fig. 2 dargestellten Stellung ist der zweite Schleifschlitten 30 in seiner relativen Position zum ersten Schleifschlitten 22 in seine rechte Endstellung verfahren, mit der Folge,
daß die zweite, kleine Schleifscheibe 35 nach rechts über den Außenumfang der ersten, großen Schleifscheibe 26 vorsteht.
In der Draufsicht der Fig. 3 sind die Verhältnisse indes umgekehrt, weil dort der zweite Schleifschlitten 30 relativ zum ersten Schleifschlitten 22 in seine rückgezogene, d.h. in Fig. 3 obere Endstellung verfahren ist, in der die erste, große Schleifscheibe 26 nach vorne (in der Darstellung der Fig. 3 nach unten) über die Außenkontur der zweiten, kleinen Schleifscheibe 35 übersteht.
In dieser in Fig. 3 angedeuteten Position befindet sich die erste, größere Schleifscheibe 26 im Eingriff an einem Nocken 41 einer schematisch dargestellten Nockenwelle 40. Die Nockenwelle 40 ist in üblicher Weise eingespannt und um ihre Längsachse 42, die sogenannte C-Achse drehbar, wie mit einem Pfeil 43 angedeutet.
Zum Schleifen des Nockens 41 wird die Nockenwelle 40 in der beim numerisch gesteuerten Schleifen von Nocken üblichen Weise in Richtung des Pfeils 43 um die C-Achse 42 gedreht, während gleichzeitig der erste Schleifschlitten 22 in Richtung des Pfeils 23, d.h. entlang der X-Achse, nach vorne und hinten verfahren wird, so daß die erste Schleifscheibe 26 entlang einer vorbestimmten Nockenkontur in Eingriff mit der Oberfläche des Nockens 41 ist, wenn dieser gedreht wird.
Die Besonderheit bei der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Schleifmaschine 20 liegt nun darin, daß alternativ die erste, größere Schleifscheibe 26 und dann die zweite, kleinere Schleifscheibe 35 in Eingriff mit dem Nocken 41 und den übrigen Nocken der Nockenwelle 40 gebracht werden kann. Hierzu wird die Nockenwelle 40 relativ zum ersten und zweiten Schleifschlitten 22, 30 getaktet, d.h. in Richtung ihrer Längsachse 42, die parallel zur Z-Achse (Pfeil 45) verläuft, um ein Inkrement verfahren, das gerade dem Abstand der Schleifscheiben 26, 35 in Richtung der Längsachse 42 (Pfeil 45) entspricht.
Durch relatives Verfahren der Schleifschlitten 22 und 30 in Richtung der Pfeile 23, 32 zueinander kann dann jeweils die eine oder die andere Schleifscheibe 26, 35 in Eingriff mit dem Nocken 41 gebracht werden, um dann entlang einer vorbestimmten Kontur die Oberfläche des Nockens 41 zu schleifen.
Der Verfahrensgang soll jetzt anhand der Phasenbilder gemäß den Figuren 4 bis 7 näher erläutert werden.
Zum Bearbeiten der Nocken 41 einer Nockenwelle 40 gemäß Fig. 3 wird zunächst die rohe Nockenwelle 40 in bekannter Weise eingespannt, und die Nockenwelle 40 wird relativ zu den Schleifschlitten 22 und 30 so getaktet, daß der erste zu bearbeitende Nocken mit der ersten, größeren Schleifscheibe 26 fluchtet. Die Schleifschlitten 22 und 30 sind dabei so gegeneinander verfahren, daß die in Fig. 3 dargestellte Konfiguration entsteht, bei der die erste, größere Schleifscheibe 26 vorsteht und daher wirksam wird, wenn der erste Schleifschlitten 22 entlang der X-Achse 23 auf die Nockenwelle 40 zu verfahren wird.
Fig. 4 zeigt nun, daß der Nocken 41 im Ausgangszustand eine Rohkontur 50 aufweist, die der unbearbeiteten Oberfläche des Nockenwellen-Rohlings entspricht. Eine Zwischenkontur 51 kennzeichnet den Endzustand nach dem Schruppen des Nockens 41, während eine Endkontur 52 den Endzustand nach dem Schlichten des Nockens 41 bezeichnet. Es versteht sich, daß die Darstellung der Figuren 4 bis 7 nicht maßstäblich ist, weil das Aufmaß zwischen Rohkontur und Zwischenkontur, d.h. das Aufmaß für den Schruppvorgang, selbstverständlich wesentlich größer ist als das Aufmaß zwischen Zwischenkontur 51 und Endkontur 52, d.h. das Aufmaß des Schlichtvorganges.
Fig. 4 zeigt nun einen Zustand, bei dem die erste, größere Schleifscheibe 26 bereits im Eingriff am Nocken 41 ist und über einen bestimmten Teil des Grundkreisabschnittes bereits von der Rohkontur 50 auf die Zwischenkontur 51 geschliffen hat. Es versteht sich, daß Fig. 1 die Verhältnisse nur vereinfacht darstellt, weil selbstverständlich das Abschleifen von der Rohkontur 50 auf die Zwischenkontur 51 üblicherweise in mehreren Stufen geschieht und nicht nur in einer Stufe, wie Fig. 4 dies zeigt.
Die Schleifscheibe 26 wurde hierzu im Bereiche des Grundkreises im Zustellbetrieb von der Rohkontur 50 auf die Zwischenkontur 51 zugestellt, während ein Bahnbetrieb in diesem Bereich nicht erforderlich ist, da der Grundkreisradius (vgl. Fig. 1) in diesem Bereich konstant ist. Erst nach dem Verlassen des Grundkreisabschnittes ist ein Bahnbetrieb erforderlich, bei dem der Drehung des Nockens 41 um die C-Achse 42 eine oszillierende Bewegung der Schleifscheibe 26 in Richtung der X-Achse 23 überlagert wird.
Aus Fig. 4 ist nun deutlich erkennbar, daß der minimale Krümmungsradius ρ_{k min} wesentlich kleiner ist als der Radius R_S1 der Schleifscheibe 26. So liegt beispielsweise der minimale Krümmungsradius ρ_{k min} um einen Faktor 10 niedriger als der Radius R_S1 der Schleifscheibe 26.
Aus den weiter oben bereits erläuterten Gründen ist es daher nicht möglich, mit der Schleifscheibe 26 die Zwischenkontur 51 exakt zu schleifen, weil die große Schleifscheibe 26 im konkaven Bereich nicht bis auf den Grund der Zwischenkontur 51 reichen kann, ohne Formfehler in dem angrenzenden Vornockenabschnitt und dem Spitzenkreisabschnitt zu verursachen.
Aus diesem Grunde wird der Schleifvorgang gemaß Fig. 4 so abgewickelt, daß die Schleifscheibe 26 nicht entlang der Zwischenkontur 51, sondern vielmehr entlang einer modifizierten Zwischenkontur 51' geführt wird. Die modifizierte Zwischenkontur 51' ist so angelegt, daß ihr minimaler Krümmungsradius größer ist als der Radius R_S1 der Schleifscheibe 26. Die modifizierte Zwischenkontur 51' kann daher ohne Formfehler mittels der großen Schleifscheibe 26 geschliffen werden.
Allerdings hat die Modifizierung der Zwischenkontur 51/51' zur Folge, daß im Bereich der konkaven Krümmung, d.h. im Anlaufabschnitt 13a und im Ablaufabschnitt 13b des Nockens (vgl. Fig. 1) Zonen 55a, 55b stehenbleiben, die außerhalb der an sich gewünschten Zwischenkontur 51 liegen.
Wenn die erste Schleifscheibe 26 die modifizierte Zwischenkontur 51' fertiggeschliffen hat, dann wird die Nockenwelle 40 relativ zur Schleifscheibe 26 getaktet, und es werden der zweite und weitere zu bearbeitende Nocken in derselben Weise entlang modifizierter Zwischenkonturen geschliffen, bis sämtliche Nocken der Nockenwelle 40 bearbeitet sind. Im Eilgang wird die Schleifscheibe 26 mittels des Schlittens 22 in Richtung der X-Achse 23 in die Ausgangsposition gefahren (Fig. 5).
Die Nockenwelle 40 fährt nun mit ihrem zuletzt bearbeiteten Nocken in die Position der Schleifscheiben 35, wobei jedoch die Nockenwelle 40 um den Abstand getaktet wird, der dem Abstand der Schleifscheiben 26, 35 in Richtung der Längsachse 42 (Pfeil 45) entspricht. Gleichzeitig werden die Schleifschlitten 22 und 30 relativ zueinander entlang der X-Achse 23 so verfahren, daß nunmehr die kleinere, zweite Schleifscheibe 35 vorsteht (vgl. Fig. 2). Gleichzeitig wird die Nockenwelle 40 aus der Ausgangsposition im Schnellgang (Pfeil 43) in eine Winkelposition gebracht (Fig. 6a), in der sich gerade eine der Zonen 55a, 55b, beim Beispiel der Fig. 6a die Zone 55a, in Richtung der X-Achse 23, bezogen auf die Eingriffslinie der zweiten, kleineren Schleifscheibe 35, befindet.
In dieser Drehposition wird die Nockenwelle 40 stillgesetzt, d.h. der Drehvorgang beendet. Die zweite, kleinere Schleifscheibe 35 hat einen Radius R_S2, der kleiner als der minimale Krümmungsradius ρ_{k min} im Bereich der konkaven Krümmung des Nockens 41 ist. Die zweite, kleinere Schleifscheibe 35 wird nun gemäß Fig. 6a in Richtung des Pfeiles 23 auf den Nocken 41 zugestellt, so daß die Zone 55a in der Stellung der Schleifscheibe 35 gemäß Fig. 6b durch Einstechschleifen im wesentlichen vollständig ausgeschliffen wird.
Die Schleifscheibe 35 wird dann mittels des Schlittens 22 im Eilgang in Richtung der X-Achse 23 in die Ausgangsposition gefahren.
Der Nocken 41 wird nun im Schnellgang so gedreht, daß in der gleichen Weise die andere Zone 55b ebenfalls bei stillstehendem Nocken 41 durch Einstechschleifen ausgeschliffen wird. Fig. 6c zeigt diesen Vorgang. Anschließend wird die Schleifscheibe 35 mittels des Schlittens 22 im Eilgang in Richtung der X-Achse 23 in die Ausgangsposition gefahren, wie in Fig. 6a dargestellt.
Fig. 7 zeigt nun den abschließenden Vorgang, bei dem in an sich herkömmlicher Weise der Nocken 41 von der Zwischenkontur 51 auf die Endkontur 52 geschliffen wird, und zwar mittels der zweiten Schleifscheibe 35, die jetzt exakt entlang der Endkontur 52 geführt wird. In Fig. 7 sind mit 60 die Einstiche angedeutet, die beim Einstechschleifen gemäß Fig. 6 zuvor angebracht worden waren. Durch das Einstechen wurde das Material im Bereich der Zonen 55a, 55b so weit zerspant, daß beim Schlichten gemäß Fig. 7 auch im Bereich der konkaven Krümmung so wenig Material zu zerspanen ist, daß dies in einem Arbeitsgang geschehen kann.
Es versteht sich auch, daß das Abschleifen von der Zwischenkontur 51 auf die Fertigkontur 52 auch in mehreren Stufen erfolgen kann und nicht nur in einer Stufe, wie Fig. 7 dies zeigt. Der gleiche Vorgang, das Einstechschleifen mit stehendem Werkstück (Fig. 6a, b, c) und das Schlichtschleifen (Fig. 7) wiederholt sich nun durch Takten der Nockenwelle 40 relativ zur zweiten Schleifscheibe 35 auch an allen übrigen Nocken der Nockenwelle 40, so daß schlußendlich die Nockenwelle 40 an allen Nocken fertiggeschliffen ist.
Bei einem praktischen Anwendungsfall wird als erste Schleifscheibe 26 eine CBN-Schleifscheibe von 450 mm Durchmesser verwendet, um Nocken 41 einer Stahl-Nockenwelle 40 zu schleifen.
Zum Schruppschleifen gemäß Fig. 4 wird die erste Schleifscheibe 26 mit einer Umfangsgeschwindigkeit von v_S = 100 m/s betrieben, was einer Drehzahl von etwa n = 4.300 min⁻¹ entspricht. Die Schnittgeschwindigkeit v_S kann aber auch variiert werden, beispielsweise im Bereich zwischen 50 und 300 m/s.
Die Nockenwelle 40 wird mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um die C-Achse 42 gedreht. Die Winkelgeschwindigkeit ω wird dabei stufenweise verändert. Während der Bearbeitung des Grundkreisabschnittes 12 beträgt sie beispielsweise 35.000 Grad/min, während der Bearbeitung des Spitzenkreisabschnittes 14 15.000 Grad/min und während der Bearbeitung der Flanken 13a, 13b beispielsweise 8.000 Grad/min.
Das Aufmaß zwischen Rohkontur 50 und zwischen Kontur 51 beim Schruppen beträgt z.B. 0,55 mm, die in sechs Umdrehungen der Nockenwelle 41 abgetragen werden, so daß sich pro Umdrehung jeweils eine Zustellung von ungefähr 0,09 mm ergibt.
Wenn der minimale Krümmungsradius ρ _{k min} in den konkav gekrümmten Bereichen 13a, 13b des Nockens 41 z.B. 50 mm beträgt, so kann als zweite Schleifscheibe 35 eine CBN-Schleifscheibe mit beispielsweise 80 mm Durchmesser eingesetzt werden, deren Radius mit 40 mm somit kleiner ist als der minimale Krümmungsradius.
Zur genaueren Bestimmung des zulässigen Radius der zweiten Schleifscheibe 35 geht man davon aus, daß die dynamischen Verhältnisse zur Nockenkontur im gesteuerten Kontaktpunkt berücksichtigt werden müssen, um die Schmiegung in der Zerspanstelle klein zu halten. Dies führt zur Formel

wobei ρ_{k min} der minimale Krümmungsradius im konkaven Bereich des Nockens 41 ist, der z.B. 50 mm beträgt. d² S_N/dφ² ist die Umfangsbeschleunigung der Eingriffslinie der zweiten Schleifscheibe 35 am Nocken 41 und beträgt bei der vorgegebenen Nockenkontur beispielsweise 0,0164 mm/Grad². ω_k ist die Winkelgeschwindigkeit des Nockens 41 bei der Drehung um die C-Achse 42 im Bereich der hohlen Flanken. Wenn ω_k 8.000 Grad/min ist, beträgt somit der Radius R_S2 der zweiten, kleineren Schleifscheibe 35 nur das 0,76-fache des minimalen Krümmungsradius ρ_{k min}, während bei einer Winkelgeschwindigkeit ω_k von 4.000 Grad/min das 0,87-fache anzusetzen ist.
Um die vorstehend wiedergegebene Formal für den zulässigen Radius R_S2 der zweiten Schleifscheibe 35 genauer zu bestimmen, kann man anhand einer analytischen Betrachtung die exakte Funktionsbeziehung ermitteln. Hierzu betrachtet man zunächst als weitere Ausgangsgrößen den Erhebungswinkel φ_E1 am Anfang der Erhebung sowie den Erhebungswinkel φ_Ei im Punkte der maximalen Umfangsbeschleunigung d² S_N/dφ² der Eingriffslinie der zweiten Schleifscheibe 35 am Nocken 47. Als Hilfsgröße Δφ ergibt sich dann:

${Δφ = φ}_{Ei} {- φ}_{E1} .$
Betrachten wir als weitere Hilfsgröße b_max

$b_{max} {= (d² S}_{N} {/dφ²)(Δφ/π)² (Δφ/φ}_{Ei})²$

so läßt sich die oben angegebene Formel für den Radius r_S2 wie folgt schreiben:

wobei ΔC das eingestellte Winkelinkrement im konkaven Bereich und v_x die maximale Achsgeschwindigkeit in Richtung der X-Achse sind.
In einem Zahlenbeispiel seien:
d² S_N/dφ² = 0,0164 mm/Grad²
φ_Ei = 138 Grad
φ_E1 = 94 Grad
ρ_kmin = 46,7822 mm
ΔC = 1 Grad
ω_k = 8000/4000 Grad/min
v_x = 10.000 mm/min.
Dann ergeben sich die Hilfsgrößen zu:
Δφ = 44 Grad
b_max = 0,3274 mm/rad²
und schließlich der Schleifscheibenradius
R_S2 = 35 mm (ω_k = 8000 Grad/min)
R_S2 = 40 mm (ω_k = 4000 Grad/min).
Hat man auf diese Weise den zulässigen Radius R_S2 der zweiten, kleineren Schleifscheibe 35 ermittelt, so kann diese z.B. mit einer Schnittgeschwindigkeit v_S = 100 m/s eingesetzt werden, was einer Drehzahl n = 24.000 min⁻¹ entspricht. Stellt man dann pro Umdrehung der zweiten Schleifscheibe 35 beim Einstechschleifen gemäß Fig. 6 um 0,1 µm zu, so führt dies bei einer Vorschubgeschwindigkeit von beispielsweise 23,9 mm/min und einer Tiefe der Zonen 55a, 55b von beispielsweise 0,16 mm zu einer Bearbeitungszeit von 0,4 s.
Zum Schlichtschleifen gemäß Fig. 7 wird die zweite Schleifscheibe 35 mit derselben Drehzahl bzw. Schnittgeschwindigkeit angetrieben. Die Winkelgeschwindigkeiten für die Drehung des Nockens 41 um die C-Achse 42 werden jedoch, verglichen mit dem Schruppvorgang gemäß Fig. 4 geringfügig anders eingestellt, nämlich mit 25.000 Grad/min im Grundkreisabschnitt 12, mit 8.000 Grad/min im Spitzenkreisabschnitt 14 und mit 4.000 Grad/min im Bereich der Flanken 13a, 13b.
Beim Schlichten gemäß Fig. 7 beträgt das Aufmaß zwischen Zwischenkontur 51 und Endkontur 52 beispielsweise 50 µm, die in zehn Umdrehungen des Nockens 41 abgeschliffen werden.
Es versteht sich, daß das vorstehend zahlenmäßig dargelegte Ausführungsbeispiel lediglich eines von vielen möglichen Ausführungsbeispielen ist und daher die Erfindung durch die angegebenen Zahlenangaben nicht eingeschränkt wird.

Claims

Verfahren zum numerisch gesteuerten Schleifen von Nocken (10; 41) einer Nockenwelle (40), bei dem in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Nockenkontur (50, 51, 52) die Nockenwelle (40) um ihre Längsachse (42) gedreht und zugleich eine Schleifscheibe (26, 35) in einer Richtung senkrecht zur Längsachse (42) zugestellt wird, wobei die Nockenkontur (50, 51, 52) im Anlaufbereich (13a) und im Ablaufbereich (13b) des Nockens (10; 41) eine konkave Krümmung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken (41) zunächst mit einer ersten Schleifscheibe (26) geschliffen wird, deren Radius (R_S1) sehr viel größer als der minimale Krümmungsradius ρ_{k min} der konkaven Krümmung ist, wobei die erste Schleifscheibe (26) entlang einer ersten Nockenkontur (51) geführt wird, die im Bereich der konkaven Krümmung modifiziert (51') ist, derart, daß deren minimaler Krümmungsradius größer als oder gleich groß wie der Radius R_S1 der ersten Schleifscheibe (26) ist, so daß in dem Bereich der konkaven Krümmung eine außerhalb der unmodifizierten ersten Kontur (51) liegende Zone (55a, 55b) stehenbleibt, und daß dann mit einer zweiten Schleifscheibe (35) geschliffen wird, deren Radius R_S2 kleiner als der minimale Krümmungsradius ρ_{k min} der konkaven Krümmung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken (41) nach dem Schleifen mit der ersten Schleifscheibe (26) stillgesetzt und die Zone (55a, 55b) mit der zweiten Schleifscheibe (35) im Einstechschleifen bei stehendem Nocken (41) im wesentlichen ausgeschliffen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken (41) nach dem Einstechschleifen wieder gedreht und mit der zweiten Schleifscheibe (35) entlang einer innerhalb der ersten Kontur (51) liegenden zweiten Kontur (52) geschliffen wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem ersten Schleifschlitten (22), der in einer Richtung senkrecht zur Längsachse (42) beweglich ist und eine erste Schleifscheibe (26) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ersten Schleifschlitten (22) ein zweiter Schleifschlitten (30) angeordnet ist, der relativ zum ersten Schleifschlitten (22) ebenfalls in einer Richtung senkrecht zur Längsachse (42) beweglich ist und eine zweite Schleifscheibe (35) trägt, derart, daß mittels einer Bewegung des zweiten Schleifschlittens (30) auf dem ersten Schleifschlitten (22) wahlweise die erste oder die zweite Schleifscheibe (26, 35) in Eingriff mit dem Nocken (41) bringbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (R_S2) der zweiten Schleifscheibe (26) nach der Beziehung:
dimensioniert wird, wobei ρ_{k min} der minimale Krümmungsradius der konkaven Krümmung, d² S_N/d ω_k² die Umfangsbeschleunigung der Eingriffslinie der zweiten Schleifscheibe (26) im Bereich der konkaven Krümmung und ω_k die Winkelgeschwindigkeit der Nockenwelle (40) um ihre Längsachse (42) sind, und K zwischen 0,6 für große Winkelgeschwindigkeiten (ω_k > 8.000 Grad/min) und 0,9 für kleine Winkelgeschwindigkeiten (ω_k < 4.000 Grad/min) liegt.