Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten von Werkstückrohlingen zur Herstellung von Spiral¬ verdichter-Schaufeln für Ansaugluft-Verdichter von Kraftfahr¬ zeugen, mit mindestens einer von einem Teller mit im wesent¬ lichen planer Oberfläche unter 90° abstehenden, auf dem Teller entlang einer Spirale verlaufenden schmalen, hohen Wand.

Es ist bekannt, z.B. die Leistung von Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge bei ansonsten unveränderter Baugröße dadurch zu erhöhen, daß man sogenannte Turbolader verwendet, mit denen die Ansaugluft verdichtet wird. Diese Turbolader werden üb¬ licherweise mittels einer Turbine angetrieben, die vom Abgas der Brennkraftmaschine gedreht wird.

Es ist ferner bekannt, zum Verdichten von Gasen und Flüssig¬ keiten, so z.B. auch zum Verdichten der Ansaugluft von Brenn¬ kraftmaschinen in Kraftfahrzeugen sogenannte Spiralverdichter zu verwenden, wie sie beim Einsatz in Kraftfahrzeugen auch unter der Bezeichnung "G-Lader" bekannt sind.

Derartige Spiralverdichter weisen ein raumfestes Gehäuse sowie ein darin bewegliches Verdichterteil auf. Sowohl das raumfeste Gehäuse wie auch das Verdichterteil sind mit schmalen hohen Wänden versehen, die jeweils unter 90° von einer ebenen Fläche abstehen und auf dieser Fläche entlang einer Spirale verlaufen. Das Verdichterteil wird im raumfesten Gehäuse exzentrisch angetrieben und zwar bei Einsatz in einer Brennkraftmaschine eines Kraf fahrzeuges mit ungefähr 2- bis 3facher Motordrehzahl Durch die exzentrische Bewegung des Verdichterteils wird Luft zwischen den spiralig verlaufenden Wänden verdichtet und kann beispielsweise im Zentrum der Spirale axial abgeführt werden.

Um eine optimale Verdichterwirkung zu erreichen, ist eine Dichtwirkung sowohl im tangentialen Berührungsbereich der spiralförmig verlaufenden Wände miteinander erforderlich wie auch im Stirnseitenbereich der Wände, die auf der ebenen Fläche des jeweils anderen Teils laufen.

Aufgrund der sehr komplizierten Formgebung der Spiralverdichter- Schaufeln und der sehr hohen erforderlichen Oberflächengüte werden die Schaufeln üblicherweise aus Werkstückrohlingen oder sogar aus dem vollem Material hergestellt.

Bei dem eingangs genannten Verfahren wird eine Fräsmaschine verwendet, bei der der Werkstückrohling in waagerechter Aus¬ richtung auf dem Werkstücktisch befestigt ist. Der bearbeitende Fräskopf wird in einer horizontalen Ebene nach Art eines Kreuztischs entlang von kartesischen Koordinaten geführt, um die gewünschte Form der Wände auf dem Teller herzustellen.

Das bekannte Herstellungsverfahren hat sich jedoch in zwei Punkten als nachteilig erwiesen.

Zum einen bringt es die horizontale Ausrichtung der Teller mit sich, daß sich Späne in dem spiraligen Raum zwischen den Wänden ansammeln, was die Bearbeitung erschwert und verzögert,

Zum anderen zeigt sich, daß die gewünschten hohen Oberflächen¬ güten an den Wänden und an der ebenen Fläche nur mit großer Mühe erreicht werden können, weil Werkzeuge, die entlang von kartesischen Koordinaten, d.h. in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen, zugestellt werden, am Ende ihres Zustellweges auf sogenannten "Umkehrpunkten" auslaufen, in denen sich die Richtung des Weges des Werkzeuges um beispiels¬ weise 180° ändert. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß die Oberfläche im Bereich dieser Umkehrpunkte mit Stufen versehen ist, so daß sich eine Oberflächengüte ergibt, die bei den hohen Drehzahlen derartiger Spiralverdichter-Schaufeln zu Problemen führen.

Um daher mit dem bekannten Verfahren überhaupt derartige Spiralverdichter-Schaufeln herstellen zu können, muß extrem behutsam, d.h. mit geringen Zustellraten vorgegangen werden, was zu entsprechend langen Bearbeitungszeiten führt.

Aus der DE-Z "Technische Rundschau" Nr. 5, vom 1. Februar 1983, Seite 11, ist bekannt, Nuten statt durch Fräsen durch Hochgeschwindigkeitsschleifen herzustellen. Hierzu wird vor¬ geschlagen, eine Schleifscheibe mit Umfangsgeschwindigkeiten zwischen 60 und 100 m/s einzusetzen, was zu sehr guten Ma߬ genauigkeiten und Oberflächengüten führt.

Aus der DE-Z "Maschinen arkt" , 92 (1986) 4, Seiten 21 bis 27 ist es bekannt, zum Steuern von Schleif- und Fräsmaschinen eine numerische Rechnersteuerung (CNC) einzusetzen, um u.a. Verdichtergehäuse (ohne nähere Spezifizierung der geeigneteren Bearbeitungsmethode) zu bearbeiten. Zum Bearbeiten von Schaufel¬ rädern, die von ihrer Bauart mit schmalen, senkrecht aus einer Oberfläche abstehenden Wänden am ehesten mit Spiralverdichter- Schaufeln vergleichbar wären, wird in diesem Zusammenhang vorgeschlagen, eine numerisch gesteuerte Fräsmaschine einzu¬ setzen, während das Schwergewicht der Schleifmaschinen im Bereich der Bearbeitung von Nockenwellen und Schaltkurven gesehen wird.

Aus der DD-Z "TZ" für praktische Metallbearbeitung, 62 (1968) , Heft 8, Seiten 411 bis 415 ist eine optische Profilschleifma¬ schine mit numerischer Steuerung bekannt, die auch eine Steue¬ rung nach Polarkoordinaten aufweisen kann. Die bekannte Maschine dient jedoch ebenfalls im wesentlichen zur Bearbeitung von Werkstücken wie Nockenscheiben und dgl,, die mittels einer Schleifscheibe an ihrem Außenumfang bearbeitet werden, wobei die Polarkoordinatensteuerung zum Einstellen der Relativbewegun zwischen Schleifscheibe und Werkstück dient und im wesentlichen deswegen gewählt wird, weil auch die Bemaßung der Werkstücke nach Polarkoordinaten erfolgt.

Aus dem DE-G 74 06 370 ist eine Schleifmaschine für die Anbringung von Dekorationsschliffen an Hohl- und Preßgläsern bekannt, bei der mehrere Schleifscheiben gleichzeitig mehrere Gläser bearbeiten. Ein Bezug auf den Bearbeitungsfall von metallischen Spiralverdichter-Schaufeln ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Aus der DE-PS 418 980 ist eine Schleifmaschine zum Schleifen ebener oder kegelförmiger Ringflächen an umlaufenden Ringen bekannt, bei der mit einer einzigen Schleifscheibe gleichzeitig mehrere Werkstücke bearbeitet werden, die an unterschiedlichen Umfangspositionen der Schleifscheibe anliegen.

Schließlich ist aus der DD-PS 124 020 noch eine automatische Innenrundschleifmaschine bekannt, bei der ein Schleifschütten, der mit um 180° versetzten Schleifwerkzeugen bestückt ist, entlang einer Linearachse und zwar in Richtung der beiden Schleifwerkzeuge, verfahrbar ist. Zwei ebenfalls um 180° zum Schleifschütten versetzte Werkstücke sind in Richtung der Verfahrachse des SchleifSchlittens angeordnet, so daß in einer Bearbeitungsposition das eine Schleifwerkzeug des Schleif¬ schlittens zunächst das eine Werkstück und dann nach Verfahren des SchleifSchlittens das andere Schleifwerkzeug das andere Werkstück bearbeitet.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte -Verfahren dahingehend weiterzubilden, daß bei kürzest möglicher Bearbeitungszeit eine optimale Ober¬ flächengüte im Bereich der Telleroberfläche und der Wandober¬ flächen der Spiralverdichter-Schaufeln entsteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Werkstückrohling in einer Koordinaten-Schleifmaschine unter senkrechter Ausrichtung der Oberfläche des Tellers eingespannt und mittels eines um eine horizontale Achse bei einer Drehzahl von mehr als ca. 30.000 U/min, vorzugsweise 60.000 bis 150.000 U/min umlaufenden langen, dünnen Schleifwerkzeugs in einem Durchgang über die gesamte Tiefe der Wand bearbeitet

wird, wobei ein Steuergerät die relative Lage von Werkstück¬ rohling zu dem Schleifwerkzeug entlang von Polarkoordinaten umke rpunktfrei ändert. Vorzugsweise wird dabei der Werkstück¬ rohling gedreht und das Werkzeug wird entlang von kartesischen Koordinaten senkrecht zur Drehachse bewegt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird hierdurch vollkommen gelöst, weil zum einen die Verwendung einer Schleif¬ maschine von Hause aus hohe Oberflächengüten gewährleistet, weil bei derartigen Schleifmaschinen das Werkzeug mit einer extrem hohen Drehzahl von typischerweise weit über 30.000 U/min umläuft, d.h. um mehrere Größenordnungen schneller als dies bei bekannten Fräsmaschinen der Fall ist, wie sie bei dem eingangs genannten Verfahren eingesetzt wurden.

Beim Hochgeschwindigkeitsschneidep mittels Spindel-Schleif¬ maschinen können die Spindeln vorzugsweise im Bereich zwischen 60.000 und 150.000 U/min umlaufen. Bei diesen Drehzahlen ist die Schneidgeschwindigkeit des Werkzeugs größer als die Re¬ kristallisationsrate des bearbeiteten Materials, das auf diese Weise im weichen bis flüssigen Zustand bearbeitet

wird. Auf diese Weise müssen nur sehr kleine Schneidkräfte aufgebracht werden. Dies ist günstig ^" bei langen dünnen Werkzeugen, weil bei seitlicher Bearbeitung eines Werkstücks mit Hochgeschwindigkeitsschneiden dann die Seitenkräfte sehr gering eingestellt werden können, die bei derartigen langen, schmalen Werkzeugen besonders kritisch sind. Werden nämlich die Seitenkräfte bei derartigen Werkzeugen zu hoch einge¬ stellt, so werden ungerade Flächen erzeugt oder es kann sogar das Werkzeug abbrechen. Beim Hochgeschwindigkeits¬ schneiden können jedoch, wie im vorliegenden Anwendungsfall, hohe und schmale Wände bearbeitet werden, weil nur extrem kleine Seitenkräfte aufgewandt werden müssen, so daß eine sehr gute Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit erreicht werden kann.

Zum anderen bewirkt die senkrechte Ausrichtung der Oberflä¬ che des Tellers, daß die abgetragenen Werkzeugspäne während der Drehung des Tellers nach außen aus dem spiraligen Zwi¬ schenraum zwischen den Wänden herausfallen können und nicht in diesem gesammelt werden, wie dies bei waagrechter Aus¬ richtung der Oberfläche der Fall ist. Vor allem aber bewirkt die Steuerung der relativen Lage von Werkstückrohling und Werkzeug zueinander durch die Bewegungsüberlagerung entlang von Polarkoordinaten und kartesischen Koordinaten, daß die Ortskurve des Werkzeugs auf dem Werkstückrohling u kehr- punktfrei läuf , so daß die gesamte Bearbeitung entlang einer stetigen Ortskurve erfolgen kann und sich mithin optimale Oberflächengüten ergeben.

Besonders bevorzugt ist, wenn der Werkstückrohling um eine zur Oberfläche senkrechte Achse in definierte Winkellagen drehbar und das Werkzeug entlang einer zur Oberfläche

parallelen Achse in definierte Axiallagen verschiebbar ist, obwohl prinzipiell auch in kinematischer Umkehr eine entge¬ gengesetzte Steuerung möglich ist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens werden mehrere Werkstückrohlinge gleich¬ zeitig mit mehreren Werkzeugen bearbeitet, wobei die Werk¬ stückrohlinge bzw. die Werkzeuge jeweils gemeinsam bewegt werden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß mit einer gemeinsamen Steuerung eine Vielzahl von Werkstückrohlingen gleichzeitig bearbeitet werden kann, was Produktionsvorteile erbringt.

Bei einer Variante des vorstehend genannten Ausführungsbei- spiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens bearbeiten zwei um 180" versetzte Werkzeuge zwei um 180° versetzte zugehörige Werkstück-Rohlinge.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die beiden Werkzeuge z.B. auf einer gemeinsamen, mittig angetriebenen Welle an den Wellenenden angeordnet werden können, so daß sie von selbst gemeinsam miteinander verfahren werden. Entsprechen¬ des gilt für die ebenfalls klappsymmetrisch angeordneten Werkstückrohlinge, die durch geeignete Mittel ebenfalls gemeinsam angetrieben werden können.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der

jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen und auch in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorstehenden Erfindung zu verlassen.

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

Fig. 1a und 1b eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge¬ stellte Spiralverdichter-Schaufel in Seitenan¬ sicht und in Draufsicht;

Fig. 2 eine stark schematisierte Darstellung einer

Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens, in verkleinertem Maßstab;

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 1b, jedoch mit eingetragenen Ortskurven von Werkzeugen nach der Erfindung und nach dem Stand der Technik.

In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt eine Spiralverdichter- Schaufel, wie sie für Spiralverdichter von Brennkraftmaschi¬ nen in Kraftfahrzeugen Verwendung finden kann.

An einem Befestigungsflansch 11 befindet sich ein Teller 12 mit im wesentlichen planer Oberfläche 15- Von der Oberflä¬ che 15 des Tellers 12 steht unter 90° eine Wand 13 ab. Die Wand 13 verläuft, wie man deutlich in Fig. 1b erkennen kann, entlang einer Spirale, deren Zentrum eine Drehachse 16 der Spiralverdichter-Schaufel 10 ist.

Bei 14 ist gestrichelt die Kontur eines möglichen Werkstück¬ rohlings angedeutet, aus dem die Spiralverdichter-Schaufel 10, wie nachstehend noch erläutert, hergestellt wird. Der Werkstückrohling 14 kann dabei Vollmaterial sein, es ist jedoch auch möglich, durch geeignete Herstellungsverfahren einen Werkstückrohling herzustellen, dessen äußere Gestalt bereits der Spiralverdichter-Schaufel 10 im wesentlichen entspricht und deren Oberfläche nur noch einer Feinbearbei¬ tung bedarf.

Fig. 2 zeigt in stark schematisierter Form, daß der Werk¬ stückrohling 14 für die Spiralverdichter-Schaufel 10 derart in ein Einspannfutter 20 einer schematisiert dargestellten CNC-Schleifmaschine eingespannt ist, daß die Oberfläche 15 des Tellers 12 in einer senkrechten Ebene liegt. Mittels einer ersten Antriebseinheit 21 mit horizontaler Achse 25 wird eine Dreh-Achse 22 für den Werkstückrohling 14 darge¬ stellt, die in der Fachsprache als "C-Achse" bezeichnet wird.

An die erste Antriebseinheit 21 ist starr eine zweite An¬ triebseinheit 23 gekoppelt, die entlang der Achse 25 eine erste Linearachse 24 realisiert, die in der Fachsprache als "Z-Achse" bezeichnet wird.

Um eine zur Achse 25 parallele Achse 29 ist ein Schleif-oder Fräswerkzeug 30 drehbar, das in Eingriff mit dem Werkstück¬ rohling 14 bringbar ist. Das Werkzeug 30 vird mittels einer Spindel 31 angetrieben, die eine Turbine, einen elektromag¬ netischen Antrieb o. dgl. enthalten- ann.

Die Spindel 3 ist starr mit einer dritten Antriebsein¬ heit 3 verbunden, die entlang einer zur Achse 25 senkrech-

ten Achse 35 verfahrbar ist und so eine zweite Linear- Achse 33 bildet, die in der Fachsprache als "X-Achse" be¬ zeichnet wird.

Zur Steuerung der Antriebseinheiten 21 , 23 und 32 entlang der C-Drehachse 22, der Z-Linearachse 24 und der X-Linear- achse 33 ist ein gemeinsames Steuergerät 34 vorgesehen.

Während mittels der Z-Linearachse 24 lediglich die Eindring¬ tiefe des Werkzeugs 30 in den Werkstückrohling 14 einge¬ stellt wird, was im vorliegenden Zusammenhang weniger von Interesse ist, dienen die C-Drehachse 22 sowie die X-Linear- achse 33 zur Einstellung von Polarkoordinaten, entlang denen das Werkzeug 30 relativ zum Werkstückrohling 14 bewegt wird.

In Fig. 2 ist noch mit gestrichelten Linien angedeutet, daß die Antriebseinheit 32 z.B. auf einer gemeinsamen Welle mit zwei um 180° gegeneinander versetzten Spindeln 1 _. 31a sowie daran angeordneten Werkzeugen 30, 30a versehen sein kann. Diese Anordnung dient zum gleichzeitigen Bearbeiten von zwei Werkstückrohlingen 14, 14a, die ebenfalls klappsymmetrisch zur Achse der Antriebseinheit 32 aufgespannt und ebenfalls gemeinsam bewegt werden. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 können die beiden Werkstückrohlinge 14, 14a mit ihren Tel¬ lern 12, 12a gemeinsam langsam rotiert werden (C-Achse 22) sowie gegenläufig zugestellt werden (Z-Achse 24), während die dritte Antriebseinheit 2 ohne weitere Veränderungen ausgelenkt (X-Achse 33) werden kann.

Das gemeinsame Steuergerät 34 braucht in diesem Falle nur so modifiziert zu werden, daß die Zustellbewegung in der Z-Ach-

se 24 bei beiden Werkstückrohlingen 14, 14a gegenläufig erfolgt, während die übrige Polarkoordinaten-Steuerung unverändert bleiben kann, weil diese sich nur auf die C-Ach- se 22 und die X-Achse 33 bezieht.

Wie Fig. 3 zeigt, hat die Auslenkung des Werkzeugs 30 ent¬ lang von Polarkoordinaten die Folge, daß mit extrem einfa¬ chen Mitteln das Werkzeug 30 entlang einer Ortskurve in Gestalt einer Spiralbahn 40 geführt werden kann, die in Fig. 3 in Vergleich mit einer Umfangslinie 41 besonders deutlich erkennbar wird. Dies bedeutet, daß der gesamte spiralige Innenraum, der von der Wand 13 umschlossen wird, "in einem Zug" bearbeitet werden kann. Dies steht im Gegen¬ satz zum Stand der Technik, bei dem die Bearbeitungswerkzeu¬ ge bei stillstehendem Werkstück entlang von kartesischen Koordinaten bewegt wurden. Dies ist in Fig. 3 anhand einer Linearbahn 42 gezeigt, die bei 43 einen Umkehrpunkt auf¬ weist, in dem das Werkzeug bei Annäherung an die Wand 13 umkehren, d.h. seine Ortskurve um 180" ablenken mußte.