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Eine kleine, aber feine Nockenschleifmaschine 22.10.2010

Moin Moin,

heute möchte ich über ein fertig gestelltes Projekt berichten, eine Vorrichtung zum präzisen Schleifen von gehärtetenModellmotor Nockenwellen.

Das Thema ist nicht wirklich kompliziert, aber doch einwenig erklärungsbedürftig, weshalb ich erst mal etwasausführlicher die Zusammenhänge beschreibe, bevor es mit den hoffentlich spannenderen Bauberichtsbilden weitergeht...ha ha ha....

Mittlerweile gibt's ja auch unter Hobbyisten immer mal wieder Ansätze, das Thema Nockenschleifen mit einer CNCgesteuerte Schleifmaschine anzugehen, mir genügt in dem Fall die gute alte Technik in Form einer mechanischenKopierschleifmaschine. Meine Konstruktion basiert auf dem bekannten Schwenkrahmenprinzip, bei dem einMusternocken abgetastet und diese Abtastbewegung auf den Nockenrohling übertragen wird.

Diese Abtastung kann man grundsätzlich auf zwei verschiedene Weisen durchführen, beide Systeme haben ihre Vor-und Nachteile.

Man kann, bezogen auf den fertigen Motornocken, einen deutlich größeren Meisternocken verwenden. Das hat denVorteil, dass alle Formfehler des Masters nur mit dem reziproken Vergrößerungsfaktor in den Fertignocken eingehen,an sich ne feine Sache. Wählt man die Vergrößerung hoch genug, könnte man den Meister sogar nach Anriss auseinem Stück Blech herausfeilen, das wurde früher gerne so gemacht und wird in der einschlägigen Literatur auchimmer wieder mal erwähnt. Um solche Fehler durch Anreißen und Feilen effektiv genug "raus zu verkleinern", wirdman den Meisternocken aber schon in einer Vergrößerung von 10:1 oder ähnlich bauen müssen.

Die verkleinerte Abbildung des Meisterprofils auf den Fertignocken geschieht dann mit einem entsprechendausgelegten Hebelsystem, welches die nötige Untersetzung liefert. Und damit kommen wir direkt zum Nachteil derAngelegenheit, der damit verbundene Apparat wird schnell recht groß und voluminös.

Eine kleine, aber feine Nockenschleifmaschine http://www.metallmodellbau.de/Nockenwellenschleifmaschine.php

1 von 23 12.05.2013 01:10

Wie man auf den Prinzipdarstellungen gut erkennen kann, ist die Ausdehnung der Hebelmechanik bei derSkaliermethode mit deutlichem Platzbedarf verbunden, dabei ist es ziemlich unerheblich, ob der Schwenkrahmenstehend oder liegend angeordnet wird.


2 von 23 12.05.2013 01:10

Bei den drei Varianten mit Skalierfunktion wurde ein extrem kleiner Schwenkradius des Fertignockens (L1)angenommen, sonst hätte man bei unserer Bildgröße die Prinzipdarstellungen nicht mehr sinnvoll layouten können.In Wirklichkeit würde man zur Minimierung der Abbildungsfehler, diesen Hebel L1 in Proportion zum Gesamtsystemdeutlich länger wählen. Nun wächst aber der Rest der Kinematik um den Skalierfaktor mit, und das erzeugt dann beiL2 Ausmaße, welche ich in einer handlichen und überschaubaren Schleifmaschine nicht mehr unterbringen konnte,also jedenfalls nix mehr für so nen Wohnzimmer- und Balkonschleifer wie mich....ha ha ha....

Die alternative und von mir gewählte Möglichkeit besteht darin, eine 1:1 Profilabtastung des Meisters durchzuführen,so wie es in der ersten Grafik unten rechts dargestellt ist. Und dann kommt man beim Schwenkrahmen mit dem einenHebelarm L aus. Hier gibt's aber keine Fehlerverkleinerung, das Profil des Meisternockens muss schon so präzise, wiedas gewünschte Ergebnis sein, was in meinen Augen der einzige Nachteil des Verfahrens ist. Ich stelle meineMeisternocken aus 4mm Resoplan (dickes HPL) auf meiner CNC Portalfräse her, das genügt für eine gewünschteProfiltreue im Bereich um +/- ca. einem Hundertstel.

Bei der Auslegung des Schwenkrahmens sollte man, wie schon angedeutet, den Hebelarm (Schwenkradius) nicht zuklein wählen, sonst entstehen durch die Bogenbewegung Abbildungsfehler des Profils. Mit den von mir gewähltenDimensionen, Schwenkradius 80mm, Schleifscheibendurchmesser ca. 80mm und 6 bis 10mm Hüllkreis Durchmessermeiner Modellnocken, kann man diesen geometrischen Fehler aber schon vernachlässigen.

Außerdem sollte erwähnt werden, dass der Profilabnehmer nicht als gerade Fläche oder in einer beliebigen Formausgebildet werden kann. Form und Größe des Abnehmers stehen in direktem Verhältnis zum Durchmesser derverwendeten Schleifscheibe, sonst erzeugt man Profilhinterschneidungen, also wieder Abbildungsfehler, welche in demFall schnell sehr deutlich (bis in den Zehntel Millimeter Bereich) ausfallen können. Der Abnehmer muss alsKreissegment ausgebildet werden, beim 1:1 Verfahren mit dem Durchmesser der Schleifscheibe und beimVerkleinerungsverfahren in der Größe Schleifscheibendurchmesser mal Skalierfaktor des Schwenkrahmensystems.

Der Musternocken kann im zuletzt beschriebenen Verfahren exakt die Größe des Fertignockens haben (man kann alsobei Bedarf auch vorhandne Motornocken kopieren), er kann aber im Durchmesser auch größer gewählt werden. Dazuwird der gezeichnete Fertignocken aber nicht im CAD um einen Faktor vergrößert (Funktion "Skalieren"), sondern derPolylinienzug des Profils wird nach außen gleichmäßig versetzt (Funktion "Offset").


3 von 23 12.05.2013 01:10

Ein, um den erzeugten Versatz zurück liegender, Abnehmer tastet auch hier den Nocken profiltreu ab. Ich sehe denVorteil eines größeren Musternockens in seiner einfacheren Handhabung, bei den winzigen Dimensionen meineroriginal Nocken werden sonst die Teile schnell extrem fummelig. Bei einteiligen Wellen mit mehreren Nocken, mussman die Meisterscheibe nach jedem Einzelnocken, entsprechend dem Nockenversatz, mit Hilfe einer Teilscheibe,gezielt weiter drehen können. Und das geht viel einfacher und auch genauer mit einer 30mm Scheibe, die einenfeinen Nullstrich trägt, als es mit einem 7mm original Nocken machbar wäre.

So, genug der langen Erklärungen, hier zuerst mal die Entwurfsbilder aus dem CAD.

Hauptdimensionen:


4 von 23 12.05.2013 01:10

Und Isometrien:


5 von 23 12.05.2013 01:10


6 von 23 12.05.2013 01:10

Die Grundplatte, der Schwenkrahmen und der Reitstock bestehen aus Aluminium, die Bettwange habe ich aus einemgezogenen C45 Vierkantstab hergestellt. Das Hauptspindelgehäuse aus Messing hatte ich noch von einem alten MiniSpindel Projekt übrig, darin werkeln zwei 8er Kugellager und die Spindel wurde aus Silberstahl neu angefertigt. Sieist an der Zentrierspitze gehärtet und fein geschliffen.

Den Antrieb erledigt ein kleiner Escap Getriebemotor, der mit einem MXL Zahnriemen auf die Spindel wirkt. DenMusternocken montiere ich auf der nach hinten verlängerten Hauptspindel, zwischen Zahnriemenscheibe und Mastersitzt noch eine Teilscheibe, welche groß genug ist, um die nötigen Winkel mit ausreichender Genauigkeit ablesen zukönnen. Die Lagerung des Schwenkrahmens geschieht über zwei abgedichtete Kugellager, die in den beidenStehlagerblöcken sitzen. Auf den CAD Bildern sieht man noch einen Hebelarm mit verstellbarem Gewicht, damit habeich anfangs den Schleifdruck eingestellt. Dieser Arm wurde mittlerweile durch eine Feder am Stativ des Abnehmersersetzt. Die Methode der Regulierung mittels Gewicht funktionierte zwar einwandfrei, ein derartiges Feintuning desSchleifdruckes erwies sich in der Praxis aber als unnötig. Und da der Arm auf der Schleifmaschine nur störte, konnteer gut entbehrt werden.

Der Apparat macht für sich alleine aber wenig Sinn, zur funktionierenden Nockenschleifmaschine wir er erst, wenn erauf eine Universalschleifmaschine montiert wird.


7 von 23 12.05.2013 01:10


8 von 23 12.05.2013 01:10

Mit den Zügen des Tisches kann ich alle benötigten Positionen anfahren. Vor und zurück, für die grobeSchleifzustellung und den Wechsel von Nocken zu Nocken, rechts-links, für das mittige Einrichten auf den einzelnenNocken, sowie (dann mit gesetzten Tischanschlägen) feines, händisches "Oszillieren" längs zur Nockenoberfläche, umdie Scheibe gleichmäßig auszunutzen.

Außerdem kann ich mit den Tischzügen bei Bedarf sehr einfach den oben auf dem Spindelgehäuse montiertenAbrichtdiamanten anfahren und die Scheibe zwischendurch immer wieder sehr schnell und präzise in Fasson bringen.


9 von 23 12.05.2013 01:10

Okay, soweit zur Theorie, fertig gebaut sieht das nackte Gerät dann so aus:


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11 von 23 12.05.2013 01:10


12 von 23 12.05.2013 01:10

Und so in der Arbeitsposition auf der Mini Bonelle:


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14 von 23 12.05.2013 01:10

Wie man sieht, habe ich der Abtastvorrichtung später noch eine zusätzliche Feinverstellung spendiert.


15 von 23 12.05.2013 01:10

Man kann die Zustellung zwar auch grundsätzlich nur über den Y-Zug des Schleiftisches erledigen, mit derFeinzustellung geht es aber noch präziser, gerade wenn es um die letzten Hundertstel beim Fertigschliff auf denEnddurchmesser geht.

Außerdem kann man die ganze Apparatur auch zum Rundschleifen "zweckentfremden", zumindest für kürzereWellenbereiche, wie Lagersitze, funktioniert das jedenfalls ganz prima. Für solche Arbeiten schwenke ich dieKurvenscheibe inkl. Mikrometerzustellung auf die andere Seite des Stativs und stütze den Schwenkrahmen somitüber einen festen Punkt am Selbigen ab. Die Meisternockenabtastung muss für diese Jobs ja umgangen oderdeaktiviert werden, eine Feinzustellung wird in dem Fall aber noch dringender benötigt.


16 von 23 12.05.2013 01:10

Wie schon oben erwähnt, stelle ich die Meisternocken aus 4mm Resoplan auf einer CNC Fräse her. Das Material hatfür mich den Vorteil der guten Verfügbarkeit als dünne Plattenware, sowie der leichten Zerspanbarkeit, gepaart mitausreichender Kantenstabilität und Verschleißfestigkeit beim Gleiten auf dem gehärteten Abnehmersegment. DieBelastung beim Abtasten ist auch nicht besonders groß oder übermäßig verschleißend, trotzdem kann man die Meisternatürlich auch genauso gut aus Messing oder Stahl herstellen.


17 von 23 12.05.2013 01:10

Das Fräsen geschah in dem Fall auf meiner ISEL Portalmaschine, bei dem HPL Material bietet sich die dort verbaute,hochdrehende Frässpindel ja geradezu an. Das funktioniert natürlich auch auf einer üblichen CNC Tischfräse vonWabeco oder Optimum etc.. Nur sollte die Maschine eine ausreichende Präzision und Wiederholgenauigkeit in derPositionierung aufweisen, also u. A. über axial spielfrei vorgespannte Spindelantriebe verfügen. Da bei meinem 1:1Abtastverfahren die Formfehler des Meisters auch 1:1 übertragen werden, schleichen sich sonst schnell unliebsameAbweichungen vom Sollprofil ein.

Man sollte die Forderung nach ausreichender Präzision auch nicht als übertrieben abtun, jedenfalls wenn man Nockenfür schnell laufende Verbrenner herstellen möchte. Fräsfehler im einstelligen Hundertstelbereich erzeugen sowohl zurKonstruktion deutlich abweichende Steuerzeiten und Ventilerhebungskurven, sowie auch erhebliche Abweichungender geplanten Ventilbeschleunigung. Das wäre schon bei den großen Nocken echter Motoren nicht wünschenswert, beiden Modellnocken wirken sich solche Fehler wegen der winzigen Grundmaße noch viel schlimmer aus. Und mit 5Hundertstel Umkehrspiel im XY Tisch, erzielt man dann keine brauchbaren Fräsergebnisse mehr, da hilft auch keinesoftwareseitige Spielkompensation.


18 von 23 12.05.2013 01:10

Hier zwei Meisterscheiben aus Resoplan, die ich für die ersten Schleifversuche meiner Testnockenwellen gefräst habe:


19 von 23 12.05.2013 01:10

Die Nockenwellen stelle ich in der Regel aus Silberstahl her. Zuerst wird auf der Drehmaschine am Rohling einebeidseitige Zentrierung angebracht und gleich noch die grobe Einstecharbeit für die Wellenabsätze und dieNockenronden erledigt. Dann wird die Welle zwischen den Spitzen gespannt und dort die restliche Feinbearbeitung,wie Lagersitze, Fertigmaße für Absätze, sowie das Schleifaufmaß der Nockenronden erledigt, anschließend wird derRohling gehärtet.

Die Nockenprofile sind also in ihrer Form nicht vorgefräst, sondern werden gleich aus dem Vollen geschliffen, wie manhier an einer halb fertigen Welle erkennen kann:


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Und wie das dann praktisch abläuft, kann man auf diesen Videos sehen.

Trockentest

Schleifen

Bei geeigneter Auslegung der Andruckfeder, kann man den Prozess bezüglich der Schleifzustellung mehr oder wenigerautark ablaufen lassen, die Schleifabnahme stellt sich dann sozusagen von selbst auf einen sinnvollen Wert ein. Mankann also gleich den rechnerischen Zustellendwert, minus einer Sicherheitsreserve von ein, zwei Zehntel MillimeternDurchmesser, anfahren. Die hier benutzte Schleifspindel wird von einem150 Watt Servomotor angetrieben, ist alsowahrlich kein Kraftpaket, reicht aber für ein einwandfreies Arbeiten mit der 80er Edelkorund Scheibe vollkommenaus.

Wenn man die Rohlinge mit einem bekannten Aufmass hergestellt hat, kann man auch erst mal bedenkenlos bis zumAnkratzen der Nockenspitze "Schruppschleifen", man befindet sich dann ja auf jeden Fall noch im Übermaßbereich.Die letzten Hundertstel zum Fertigmaß muss man natürlich immer durch Messen und feine Restzustellungenerledigen. Hier erweist sich die Arbeit zwischen den Spitzen und mit einem Mitnehmer (Drehherz) zusätzlich alsvorteilhaft. So kann man die Nockenwelle zum Messen einfach und schnell aus der Maschine entnehmen und dortwieder präzise und lagerichtig einsetzen, was diesen Vorgang erheblich einfacher gestaltet, als in der Enge derMaschine mit dem Mikrometer hantieren zu müssen.

Ein unverzichtbares Feature ist der, in die Maschine integrierte, Abrichter in Gestalt eines Einkorn Diamanten. Nebendem unabdingbaren Abrichten einer neu aufgespannten Schleifscheibe, kann man damit, auch während desSchleifprozesses, die Scheibe wieder griffig machen und gleichzeitig die Eingriffsfläche gerade zurichten. Was mitdieser Montierung oberhalb der Spindellagerung durch seitliches Verfahren des Schleiftisches schnell und einfach zubewerkstelligen ist, dann macht man's nämlich auch wenn's nötig ist.....ha ha ha.....

Diese Musterwellen wurden mit einer 80er Korn Edelkorundscheibe, Durchmesser 80mm, Breite 6mm geschliffen, ichdenke, das Ergebnis kann sich sehen lassen:


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Tschüss vom Achim


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