DE4137924C2 - Verfahren und Vorrichtung zum numerisch gesteuerten Schleifen von Nocken einer Nockenwelle - Google Patents

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 jeweils eine konkave Krümmung aufweist.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens mit einem ersten Schleif­ schlitten, der in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der Nockenwelle 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, Seite 31, Fig. 40c, 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.

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 Schleif­ scheibe. 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 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, Schleif­ scheiben mit kleinem Durchmesser derart in einer Spindel zu lagern, daß die erforderlichen Drehzahlen und Antriebsleistungen aufgebracht werden können, weil die Schleifscheibe sich üblicher­ weise um eine Achse dreht, die parallel zur Nockenwellenachse liegt. Dabei besteht nämlich 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 Schleif­ scheibe. 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 Eingriffs­ linie der Schleifscheibe am Nocken in einer Richtung senkrecht zur X-Achse wandert.

Aus dem JP-Abstract 54-83 195 ist eine Nockenschleifmaschine bekannt, bei der auf der Welle der Schleifspindel zwei Schleif­ scheiben axial nebeneinander angeordnet sind. Die eine der beiden Schleifscheiben dient dabei zum Vorschleifen und die andere zum Fertigschleifen. Beide Schleifscheiben haben denselben Durchmesser und sind daher zur Bearbeitung derselben Konturen der Nocken geeignet.

Aus der US-PS 48 33 834 ist eine weitere Nockenschleifmaschine bekannt, mit der Nocken geschliffen werden können, die abschnitts­ weise konkave Profilabschnitte aufweisen. Diese bekannte Schleif­ maschine ist eine Bandschleifmaschine, bei der der Nocken über seinen gesamten Umfang mittels eines Schleifbandes geschliffen wird, das im Eingriffsbereich an der vom Nocken abgewandten Seite über einen konvexen Schuh geführt wird, dessen Krümmungsradius kleiner ist als der Krümmungsradius des konkaven Nocken­ abschnittes. Zum gleichzeitigen Bearbeiten mehrerer Nocken einer Nockenwelle sind mehrere derartige Bandschleifvorrichtungen unmittelbar nebeneinander angeordnet und individuell radial zum Nocken zustellbar, da die nebeneinanderliegenden Nocken der Nockenwelle eine unterschiedliche Winkelausrichtung auf der Nockenwelle haben. Bei dieser bekannten Schleifmaschine ist die Schleifzeit relativ hoch, weil der gesamte Abtrag am Nocken durch das Schleifband aufgebracht werden muß.

Eine ähnliche Maschine dieser Art ist aus der DE 40 03 409 A1 bekannt. Auch bei dieser bekannten Schleifmaschine werden mehrere Nocken einer Nockenwelle gleichzeitig geschliffen, indem mehrere parallel nebeneinander angeordnete Bandschleifvorrichtungen vorgesehen sind. Die Bandschleifvorrichtungen sind wiederum so ausgelegt, daß auch konkave Umfangsabschnitte der Nocken geschliffen werden können. Auch in diesem Falle wird der Abtrag an den Nocken allein durch das Schleifband bewirkt.

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 in einer einzigen Aufspannung zunächst mit einer ersten, von einem ersten Spindelstock angetriebenen Schleifscheibe vorgeschliffen wird, deren Radius sehr viel größer als die minimalen Krümmungsradien der konkaven Krümmungen ist, wobei sich gegenüber der Endkontur eine modifizierte Zwischenkontur ergibt, deren minimaler Krümmungsradius im Bereich der konkaven Krümmungen größer als oder gleich groß wie der Radius der ersten Schleifscheibe ist, und daß der Nocken dann mit einer zweiten, von einem zweiten Spindelstock angetriebenen Schleifscheibe fertiggeschliffen wird, deren Radius kleiner als der minimale Krümmungsradius der konkaven Krümmung ist.

Die Aufgabe wird ferner durch eine eingangs genannte Vorrichtung mit einem erstern Schleifschlitten, der in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der Nockenwelle beweglich ist und eine erste Schleifscheibe trägt, gelöst, indem auf dem ersten Schleif­ schlitten ein zweiter Schleifschlitten mit einer zweiten Schleifscheibe angeordnet ist, der relativ zum ersten Schleif­ schlitten ebenfalls in einer Richtung senkrecht zur Längsachse beweglich ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Gemäß der Erfindung wird nämlich die Bear­ beitung des Nockens in zwei Abschnitte unterteilt, wobei eine herkömmliche große Schleifscheibe in einem ersten Bearbeitungs­ schritt 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 Schleif­ scheibe 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 Schlicht­ schleifvorgang 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 werden der Nocken nach dem Schleif mit der ersten Schleifscheibe stillgesetzt und die Zonen mit den konkaven Krümmungen vor dem Fertigschleifen mit der zweiten Schleifscheibe im Einstechschleifen im wesentlichen ausge­ schliffen.

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 die zweite, kleine Schleifscheibe lediglich im Zustellbetrieb in die Zone eintaucht. Da üblicherweise die Nockenkontur im Bereich der konkaven Krümmung im wesentlichen die Form eines Kreis­ bogens hat, kann durch einmaliges Eintauchen der zweiten Schleifscheibe die stehengebliebene Zone nahezu vollständig ausgeschliffen werden.

Bei einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Radius der zweiten Schleifscheibe nach der Beziehung:

R_S2 ≈ K · ρ_{k min}

dimensioniert, wobei ρ_{k min} der minimale Krümmungsradius der konkaven Krümmungen und K ein Korrekturfaktor ist, der zwischen 0,6 für große Winkelgeschwindigkeiten (ω<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.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Nockens mit hohlen Flanken (nicht maßstäblich);

Fig. 2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3 die Draufsicht auf die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung;

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 des Nockens 10 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 Vornocken­ abschnitte 15a und 15b des Nockens 10 haben einen konvex gekrümmten Bereich als Übergang zwischen Grundkreisabschnitt 12 und Flankenabschnitt 13a und 13b unter einem Umfangswinkel ϕ_v. Die Nockenkontur weist dann in den Spitzenbereich einen konvexen Spitzenkreisabschnitt 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 Nockenflanke, 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 Spitzenkreisabschnitt 14 zu erreichen, so daß das Füllungsver­ halten der Brennräume verbessert wird.

In Fig. 1 ist ferner mit ρ_k der Krümmungsradius der An- und Ablaufbereiche 13a, 13b eingezeichnet, wobei deutlich ist, daß dieser Krüm­ mungsradius ρ_k den Krümmungsradien R_G und ρ_S von Grundkreis­ abschnitt 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 Berüh­ rung zwischen der Schleifscheibe und dem Werkstück im konkaven Bereich einer Kontaktlinie entspricht.

In den übrigen Bereichen der Nockenkontur, nämlich im Grundkreis­ abschnitt 12, im Vornockenabschnitt 15a/15b und im Spitzenkreis­ abschnitt 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 Fig. 2 und 3 ist - äußerst schematisch - ein Ausfüh­ rungsbeispiel einer Schleifscheibe dargestellt, die insgesamt mit 20 bezeichnet ist.

Bei der Schleifmaschine 20 ist auf einem nicht näher dargestellten Maschinengestell 21 ein erster Schleifschlitten 22 in herkömm­ licher Weise in Richtung eines Pfeils 23 verschiebbar angeordnet.

Der Pfeil 23 kennzeichnet in der Fachsprache des Schleifmaschinen­ baus 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 Schleif­ scheibe 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 Schleif­ schlitten 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 Schleif­ scheibe 35 ist in einem zweiten Spindelstock 36 gelagert, der sich vorne auf dem vertikalen Schenkel des zweiten Schleif­ schlittens 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 Schleif­ schlitten 30 in seiner relativen Position zum ersten Schleif­ schlitten 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 vorn (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 vorbestimm­ ten Nockenkontur in Eingriff mit der Oberfläche des Nockens 41 ist, wenn dieser gedreht wird.

Die Besonderheit bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Schleifmaschine 20 liegt nun darin, daß alternativ die erste, größere Schleifscheibe 26 und dann die zweite, kleinere Schleif­ scheibe 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 Fig. 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 Schleif­ schlitten 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 Fig. 4 bis 7 nicht maßstäblich ist, weil das Aufmaß zwischen Rohkontur 50 und Zwischenkontur 51, 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, daß der Grundkreisradius (vgl. Fig. 1) in diesem Bereich konstant ist. Erst nach dem Verlassen des Grundkreisab­ schnittes 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 Krüm­ mungsradius ρ_{k min} wesentlich kleiner als der Radius R_S1 der Schleifscheibe 26. So liegt beispielsweise der minimale Krüm­ mungsradius 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 gemäß 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 An­ laufabschnitt 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 Schleif­ scheibe 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 Ausgangs­ position 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 Schleif­ scheibe 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 Krüm­ mungsradius 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 Krümmung 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 Schleif­ scheibe 35 auch an allen übrigen Nocken der Nockenwelle 40, so daß schlußendlich die Nockenwelle 40 an allen Nocken fertig­ geschliffen 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 Grundkreis­ abschnittes 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 Zerspan­ stelle 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/dϕ ist die Umfangs­ beschleunigung 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 8.000 Grad/min ist, beträgt somit der Radius R_S2 der zweiten, kleineren Schleifscheibe 35 nur das 0,76fache des minimalen Krümmungsradius ρ_{k min}, während bei einer Winkelgeschwindigkeit ω_k von 4.000 Grad/min das 0.87fache anzusetzen ist.

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 Vorschub­ geschwindigkeit von beispielsweise 23,9 mm/min und einer Tiefe der Zonen 55a, 55b von beispielsweise 0,16 mm zu einer Bear­ beitungszeit 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.

Claims (4)

1. Verfahren zum numerisch gesteuerten Schleifen von Nocken (41) einer Nockenwelle (40), bei dem in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Nockenkontur die Nockenwelle (40) um ihre Längsachse (42) gedreht und zugleich eine Schleif­ scheibe (26; 35) in einer Richtung senkrecht zur Längsachse (42) zugestellt wird, wobei die Nockenkontur im Anlauf­ bereich (13a) und im Ablaufbereich (13b) des Nockens (41) jeweils eine konkave Krümmung aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Nocken (41) in einer einzigen Aufspannung zunächst mit einer ersten, von einem ersten Spindelstock (27) angetriebenen Schleifscheibe (26) vorgeschliffen wird, deren Radius (R_S1) sehr viel größer als die minimalen Krümmungsradien (ρ_{k min}) der konkaven Krümmungen ist, wobei sich gegenüber der Endkontur (52) eine modifizierte Zwischenkontur (51, 51′) ergibt, deren minimaler Krümmungsradius im Bereich der konkaven Krümmungen größer als oder gleich groß wie der Radius (S_S1) der ersten Schleifscheibe (26) ist, und daß der Nocken (41) dann mit einer zweiten, von einem zweiten Spindelstock (36) angetriebenen Schleifscheibe (35) fertiggeschliffen wird, deren Radius (R_S2) kleiner als der minimale Krümmungsradius (ρ_{k min}) der konkaven Krümmung ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken (41) nach dem Schleifen mit der ersten Schleifscheibe (26) stillgesetzt und vor dem Fertigschleifen die Zonen (55a; 55b) mit den konkaven Krümmungen mit der zweiten Schleifscheibe (35) im Einstechschleifen bei stehendem Nocken (41) im wesentlichen ausgeschliffen werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem ersten Schleifschlitten (22), der in einer Richtung senkrecht zur Längsachse (42) der Nockenwelle (40) beweglich ist und eine erste Schleifscheibe (26) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ersten Schleifschlitten (22) ein zweiter Schleifschlitten (30) mit einer zweiten Schleifscheibe (35) angeordnet ist, der rela­ tiv zum ersten Schleifschlitten (22) ebenfalls in einer Richtung senkrecht zur Längsachse (42) beweglich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius R_S2 der zweiten Schleifscheibe (26) nach der Beziehung R_S2 = K · ρ_{k min}dimensioniert wird, wobei ρ_{k min} der minimale Krümmungsradius der konkaven Krümmungen und K ein Korrekturfaktor ist, der 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.