DE102006014972A1

DE102006014972A1 - Kombiniertes Bearbeitungsverfahren

Info

Publication number: DE102006014972A1
Application number: DE102006014972A
Authority: DE
Inventors: Bernd Faigle
Original assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2026-04-01
Also published as: DE102006014972B4

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung kombinieren einen orthogonalen Drehfräsbearbeitungsschritt an einer Kurbelwelle mit einem orthogonalen Drehschleifbearbeitungsschritt. Damit wird einerseits eine hohe Zerspanungsleistung und andererseits eine äußerst hohe Fertigungspräzison bei zugleich höchster Produktivität erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bearbeitungsverfahren für Werkstücke mit rotationssymmetrischen Flächen, insbesondere Kurbelwellen, sowie eine entsprechende Bearbeitungseinrichtung.

Zur Bearbeitung von Kurbelwellen oder auch anderen Werkstücken mit zu bearbeitenden rotationssymmetrischen Flächen werden beispielsweise von der EP 0 885 082 B1 Drehfräsverfahren vorgeschlagen, die sowohl eine Grobbearbeitung als auch eine Schlichtbearbeitung miteinander kombinieren. Zur Grobbearbeitung wird der mit hoher Drehzahl laufende Drehfräser etwa 10 mm unterhalb der Drehachse der zu bearbeitenden Zylinderfläche eingestellt und dann nach oben verfahren, wobei das Werkstück drei volle Umdrehungen (1080°) dreht. Für die anschließende Schlichtbearbeitung wird dann über eine Viertel Umdrehung des Werkstücks auf das Schlichtaufmaß von 0,1 mm zugestellt. Außerdem wird die Drehrichtung des Werkstücks geändert, woraufhin die Werkzeugachse, die zuvor bei der Grobbearbeitung um 10 mm nach oben verfahren worden ist, wiederum besagte 10 mm nach unten zu verfahren. Während der Schneideneingriff des Drehfräsers bei der Grobbearbeitung von der äußeren Schneidecke her entlang der Schneidkante nach innen hin erfolgt ist, kommt bei der Schlichtbearbeitung zunächst die innere Schneidkante der an dem Fräser vorhandenen Wendeschneidplatte zum Eingriff. Beim Schlichten wird die Werkstückspindel um sieben Umdrehungen gedreht. Die Bearbeitung ist abgeschlossen, wenn die Werkzeugachse 13 mm unterhalb der Werkstückachse steht.

Diese Art der Bearbeitung erfordert eine große Anzahl von Werkstückumdrehungen und somit eine relativ große Bearbeitungszeit. Außerdem wird ein hohes Aufmaß von 0,1 mm hinterlassen, so dass eine derart bearbeitete Kurbelwelle nicht unmittelbar an das Superfinishing (Bandschleifen) übergeben werden kann. Vielmehr muss sich ein Schleifbearbeitungsschritt anschließen.

Das Schleifen von Kurbelwellen erfolgt in der Regel im Anschluss an das Fräsen in gesonderten Maschinen. Dazu offenbart die DE 21 29 50 über das sonst übliche Schleifen mit am Außenumfang aktiven Schleifscheiben noch die Bearbeitung einer Kurbelwelle mittels eines Schleifzylinders, dessen Drehachse orthogonal zu der Drehachse der Kurbelwelle ausgerichtet ist. Beim Schleifvorgang wird der drehende Schleifzylinder mit seiner Stirnfläche tangential an der zu bearbeitenden Stirnfläche vorbei bewegt und zwar in einem einzigen Durchgang.

Die aus der oben genannten ersten Druckschrift erkennbaren Bestrebungen, den Drehfräsvorgang nicht nur als Schruppbearbeitung sondern auch zur Feinbearbeitung zu nutzen, kann einen nachfolgenden Schleifvorgang nicht überflüssig machen. Im Bandfinishing lassen sich die angegebenen Aufmaße von 0,1 mm nicht wirtschaftlich auf Endmaß abtragen. Die zuvor vorgeschlagenen Bearbeitungsverfahren beinhalten somit eine Schruppbearbeitung mit bestimmter Schneide, eine Feinbearbeitung mit bestimmter Schneide, eine Schleifbearbeitung und das Bandfinishing. Dazu ist die entsprechende Ausrüstung in Form verschiedener Maschinen und Bearbeitungszeit bereitzustellen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Fertigung zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelöst:
Das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren eignet sich insbesondere zur Bearbeitung von Kurbelwellen und ermöglicht die Bearbeitung der Kurbelwelle in einem einzigen Arbeitsraum einer einzigen Maschine mit solcher Genauigkeit, dass sich an die Bearbeitung unmittelbar das Bandfinishing anschließen kann. Das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren vereinigt die Zerspanung mit definierter Schneide und eine Schleifbearbeitung in ein und derselben Maschine in ein und demselben Arbeitsraum, vorzugsweise in gleicher Aufspannung und an der gleichen Stelle des Arbeitsraums. Eine Weitertaktung von Bearbeitungsstation zu Bearbeitungsstation, wie sie bei Taktautomaten, Rundtischautomaten und dergleichen stattfinden könnte, wird vorzugsweise nicht vorgenommen. Dadurch wird sowohl für das Bearbeiten mit geometrisch bestimmter Schneide als auch für den Schleifprozess ein einheitlicher Maßbezug verwendet, was der Bearbeitungsgenauigkeit zugute kommt. Dies gilt insbesondere für relativ große Werkstücke, wie beispielsweise Kurbelwellen.

Vorzugsweise kombiniert das erfindungsgemäße Verfahren das Drehfräsen mit dem Drehschleifen in einer einzigen Bearbeitungsmaschine. Das Drehfräsen wird vorzugsweise als orthogonales Drehfräsen durchgeführt, bei dem die Drehachse des Drehfräswerkzeugs rechtwinklig zur Drehachse des Werkstücks bzw. der zu erzeugenden rotationssymmetrischen Fläche orientiert ist. Es wird hier z. B. bis zu einem radialen Aufmaß von z. B. ca. 0,2 mm gefräst. Dies kann mit wenigen Umdrehungen des Werkstücks erfolgen. Bevorzugt wird, das Werkstück zur Durchführung der Bearbeitung mit definierter Schneide um maximal drei Umdrehungen, vorzugsweise lediglich ein bis zwei Umdrehungen zu drehen. Vorzugsweise wird dabei die Winkelstellung der Kurbelwelle oder des sonstigen rotationssymmetrischen Teils so überwacht, dass das betreffende Teil nur ganze Umdrehungen ausführen kann, um einheitliche Bearbeitungsverhältnisse um den gesamten Umfang des betreffenden Werkstücks herum zu erzeugen. Außerdem werden dadurch ausreichende Spandicken und einigermaßen einheitliche, auf das Werkstück einwirkende Schneidkräfte erzielt, was der Genauigkeit zugute kommt.

Das verbleibende Aufmaß und sich aus der Drehfräsbearbeitung möglicherweise ergebenden Unrundheiten werden im anschließenden, vorzugsweise orthogonalen Drehschleifvorgang auf wenige zehn Mikrometer genau beseitigt. Dabei kann das Werkstück eine mehr oder weniger schnelle Umdrehung vollführen. Vorzugsweise ist diese wesentlich langsamer als die Umdrehung des Schleifwerkzeugs. Andererseits kann das Werkstück beim Drehschleifen schneller drehen als beim vorherigen Drehfräsen. Somit kann der Drehschleifvorgang um mehrere, vorzugsweise deutlich mehr als zehn, Umdrehungen des Werkstücks fortgesetzt werden, wobei mit abnehmenden Zustellkräften gearbeitet werden kann, bis die zwischen Werkzeug und Werkstück zu verzeichnende Kraft sich an einen vorbestimmten geringen Wert oder auch an Null annähert.

Die Drehrichtung von Drehfräswerkzeug und Drehschleifwerkzeug ist vorzugsweise gleich. Es ist jedoch alternativ auch möglich, die Drehfräsbearbeitung und die Drehschleifbearbeitung mit unterschiedlichen Drehrichtungen durchzuführen. Dies kann sinnvoll sein, wenn für die Drehfräsbearbeitung und die Drehschleifbearbeitung unterschiedliche Arbeitsspindeln ein und derselben Bearbeitungsmaschine eingesetzt werden. Es ist auch möglich, den Drehfräsvorgang und den Drehschleifvorgang mit ein und derselben Arbeitsspindel durchzuführen, in die jeweils das geeignete Zerspanungswerkzeug (Fräser oder Schleifer) z.B. mittels eines Werkzeugwechslers eingewechselt wird.

Es ist möglich, zunächst alle Lagerstellen einer Kurbelwelle sowie Hubzapfen und sonstige Funktionsflächen, die in der Bearbeitungsmaschine zu bearbeiten sind, mit definierter Schneide spanend zu bearbeiten und danach alle Flächen mit dem genannten orthogonalen Drehschleifverfahren nachzubearbeiten. Es ist jedoch auch möglich, jede Fläche zunächst im Drehfräs- und dann im Drehschleifvorgang zu bearbeiten, wobei dann vorzugsweise gesonderte Arbeitsspindeln verwendet werden, um einen zu häufigen Werkzeugwechsel zu vermeiden. Des Weiteren ist es möglich, eine zu bearbeitende Fläche mit bestimmter Schneide spanend zu bearbeiten während eine andere zu bearbeitende Fläche gleichzeitig geschliffen wird. In diesem Fall wird vorzugsweise eine Bearbeitungsmaschine mit zwei voneinander unabhängig bewegbaren und antreibbaren Arbeitsspindeln verwendet.

Bei einem verfeinerten Verfahren ist es möglich, das Schleifwerkzeug auf einander folgend in unterschiedlichen Drehrichtungen rotieren zu lassen, um Bearbeitungsunterschiede entlang der zu bearbeitenden rotationssymmetrischen Fläche zu vermeiden oder auszugleichen. Im Allgemeinen ist dies jedoch unnötig.

Vorzugsweise weist das Zerspanungswerkzeug wenigstens eine Stirnschneide auf, die bei ihrer Rotation eine ebene Fläche definiert. Mit diesem Zerspanungswerkzeug kann eine rotationssymmetrische Fläche, insbesondere eine Zylinderfläche, auf ihrer gesamten Länge in einem Durchgang bearbeitet werden. Es ist jedoch auch möglich, ein Zerspanungswerkzeug vorzusehen, dessen Stirnschneide bei ihrer Rotation eine kegelförmige Fläche mit einem Kegelwinkel von nahe 180° z. B. 175° oder mehr aufweist. Mit einem solchen Zerspanungswerkzeug kann eine zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche in zwei Durchgängen in voneinander beabstandeten Ringbereichen bearbeitet werden. Es ist möglich, dabei die Drehrichtung des Werkstücks umzukehren, um für beide Ringbereiche gleiche Zerspanungsverhältnisse zu schaffen. Eine solche Maßnahme kann sich als sinnvoll erweisen, wenn das Werkstück bei der Zerspanung mit besonders hoher Winkelgeschwindigkeit bewegt wird.

Das Zerspanungswerkzeug weist zumindest eine, vorzugsweise mehrere Stirnschneiden auf. Letzteres erhöht die Zerspanungsleistung und vermindert die Bearbeitungszeit. Vorzugsweise sind die Stirnschneiden an einem einzigen Körper, z.B. dem Werkzeugkörper oder einem mehrschneidigen Schneidkörper ausgebildet. Die Schneidkanten sind z.B. präzise geschliffen und dann mit einer Verschleiß mindernden Beschichtung versehen. Die Schneidkanten können bei entsprechendem Verschleiß (ein- oder mehrfach) nachgeschliffen und nachbeschichtet werden. Es ist auch möglich, mehrere Schneidplatten an einem Werkzeugkörper vorzusehen, wobei die Plattensitze und Schneidplatten weniger genau ausgebildet sind. Die Schneidplatten können dann präzise geschliffen und dann beschichtet werden. Dies kann im Werk zeugkörper oder auch außerhalb desselben geschehen. Vorzugsweise wird dabei sichergestellt, dass die Schneidplatten nach Durchführung der Beschichtungsoperation in dem gleichen Plattensitz des Werkzeugkörpers wieder eingebaut wird, in dem sie zuvor geschliffen worden ist. Die Schneidplatten können dann auch, ohne sie aus dem Werkzeugkörper herauszunehmen, (ein- oder mehrfach) nachgeschliffen und wie oben beschrieben nachbeschichtet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Werkstück, wie beispielsweise eine Kurbelwelle in einer einzigen Aufspannung auf Endmaß bzw. auf ein Maß bearbeitet werden, wie es für das anzuschließende Bandfeinschlichten (Superfinishing) erforderlich ist. Vorzugsweise werden dabei zwei Orthogonalbearbeitungsverfahren, z.B. Drehfräsen und Drehschleifen mit jeweils rechtwinklig zur Werkstückdrehachse orientierter Werkzeugdrehachse, miteinander kombiniert. Es können weitere Bearbeitungsverfahren, wie Walz- oder Rollierverfahren wie auch das Setzen von Bohrungen, z.B. von Öllochbohrungen und Entgraten, durchgeführt werden. Damit wird eine hohe Produktivität erreicht.

Vorzugsweise kann das Drehfräsen als Trockenbearbeitung ausgeführt werden. Für den Schleifprozess kann sowohl Trockenschleifen als auch Nassschleifen angewendet werden. Dabei wird bevorzugt, den Schleifkörper mit einem Reinigungsfluid, wie beispielsweise Petroleum zu versorgen. Dies kann während der Bearbeitung oder in Bearbeitungspausen erfolgen. Letzteres hat den Vorzug der geringen Arbeitsraumkontamination für sich. Wird sowohl beim Drehfräsen als auch beim Drehschleifen nass gearbeitet, wird für beide Bearbeitungsvorgänge vorzugsweise das gleiche Fluid verwendet.

Vorzugsweise wird das Zerspanungsvolumen in dem Schleifprozess minimiert, indem das Aufmaß für den Fräsprozess minimiert wird. Dies indem es so festgelegt wird, dass angesichts der nach dem Fräsprozess noch vorhandenen Ungenauigkeiten, Unrundheiten usw. gerade noch genug Material vorhanden ist, um diese Ungenauigkeiten in dem Schleifprozess zu beseitigen. Das Aufmaß für den Fräsprozess, d.h. das Aufmaß, das nach dem Fräsprozess auf dem Werkstück verbleibt, kann werkstückspezifisch z.B. in einem Einarbeitsvorgang festgelegt werden. Es ist auch möglich, das Aufmaß im Rahmen einer ständigen oder stichprobenweisen Fertigungskontrolle oder Prozessmessung zu adaptieren. Zum Beispiel kann es, wenn sich die Fräserschneide im Verlauf der Bearbeitung abnutzt, erforderlich werden, das in dem Fräsprozess einzuhaltende Aufmaß zu erhöhen. So sind die mit einer stumpfen Schneide erzielbaren geringeren Fertigungsgenauigkeiten, d.h. höhere Form- und Maßtoleranzen, tolerierbar. Nach der Fräsbearbeitung mit einer frischen noch nicht abgestumpften Fräserschneide kann hingegen eventuell sogar auf den Schleifvorgang verzichtet werden.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder von Ansprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:

1 eine Bearbeitungseinrichtung zur Bearbeitung von rotationssymmetrischen Flächen, beispielsweise an Kurbelwellen, in schematischer Darstellung,

2 das Werkstück und das Werkzeug der Bearbeitungseinrichtung nach 1 in gesonderter ausschnittsweiser Darstellung,

3 das Werkstück nach 1 und ein zum Einsatz bereites Schleifwerkzeug in schematisierter ausschnittsweiser Darstellung,

4 das Werkstück und das Werkzeug nach 2 in Seitenansicht,

5 das Werkstück und das Werkzeug nach 3 in Seitenansicht,

6 das Schleifwerkzeug nach 3 und 5 in einer Schnittdarstellung,

7 das Werkstück nach 1 in einem schematisch veranschaulichten Rollierbearbeitungsvorgang,

8 das Werkstück nach 1 bei einem Schrägbohrvorgang in schematisierter ausschnittsweiser Darstellung und

9 das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren als Flussbild.

In 1 ist eine kombinierte Bearbeitungseinrichtung 1 veranschaulicht, die beispielsweise zur Bearbeitung einer Kurbelwelle 2 eingerichtet ist. Sie weist dazu einen Arbeitsraum 3 mit vorzugsweise lediglich einer Aufspannmöglichkeit für ein zu bearbeitendes Werkstück, insbesondere die Kurbelwelle 2 auf. Zur Aufspannung derselben dienen Spannfutter 4, 5, die um eine zentrale Drehachse 6 sowie weitere Drehachsen 7, 8 drehbar gelagert sind. Die Drehachse 6 ist vorzugsweise konzentrisch zu Hauptlagern 9 der Kurbelwelle 2 angeordnet, die in bearbeitetem Zustand relativ präzise bearbeitete zylindrische Flächen sein sollen. An die Hauptlager 9 schließen sich ringförmige Planflächen 10, 11 an, die gegebenenfalls ebenfalls zu bearbeiten und konzentrisch zu der Drehachse 6 angeordnet sind.
Die Drehachsen 7, 8 sind konzentrisch zu Hubzapfen 12, 13 angeordnet, die ebenfalls zylindrisch zu bearbeiten sind. An die Hubzapfen 12, 13 können sich jeweils beidseits ringförmige Planflächen 14, 15 anschließen, die zu bearbeiten sind (siehe 2). Die Spannfutter 4, 5 sind dazu mit Antriebseinrichtungen versehen, die die Kurbelwelle 2 wegkontrolliert, d.h. drehwinkelkontrolliert, bewegen.
In dem Arbeitsraum 3 ist außerdem ein Werkzeug 16 mit wenigstens einer geometrisch bestimmten, d.h. festgelegten Schneide 17 angeordnet. Das Werkzeug 16 ist beispielsweise als Fräser 18 ausgebildet, dessen Schneide 17 an der Stirnseite ungefähr in Radialrichtung angeordnet ist und der eine weitere, z.B. am Umfang angeordnete Schneide 19 aufweisen kann. Der Fräser 18 ist an einer Arbeitsspindel 20 gehalten, die um eine Drehachse 21 drehbar gelagert und mit einer Antriebseinrichtung 22 verbunden ist. Die Arbeitsspindel 20 ist mit einer geeigneten Positioniereinrichtung in Richtung der Drehachse 21 verstellbar, wie durch einen Pfeil 23 angedeutet ist. Des Weiteren ist sie von einer Positioniereinrichtung 24 getragen, mit der die Arbeitsspindel 20 parallel zu den Drehachsen 6, 7, 8 der Kurbelwelle 2 sowie senkrecht dazu bewegbar ist, wie in 1 durch Pfeile 25, 26 angedeutet ist. Die Pfeile 26 stehen senkrecht auf der Zeichenebene.
Die Bearbeitungseinrichtung 1 weist eine nicht weiter veranschaulichte Werkzeugwechseleinrichtung auf, mit der der in den 1 und 2 veranschaulichte Fräser 18 gegen ein Schleifwerkzeug 27 gemäß 3 ausgetauscht werden kann. Alternativ ist die Bearbeitungseinrichtung an der Arbeitsspindel 20 mit einem Werkzeugrevolver, beispielsweise einem Kronenrevolver, 28 versehen, über den sowohl der Fräser 18 wie auch das Schleifwerkzeug 27 angetrieben und bedarfsweise in Ruheposition oder Einsatzposition geschwenkt werden können (siehe symbolische Darstellung in 1 rechts). Des Weiteren ist es auch möglich, mehrere Arbeitsspindeln vorzusehen, die von unterschiedlichen Positioniereinrichtungen positioniert werden und jeweils entweder mit dem Fräser 18 oder dem Schleifwerkzeug 27 bestückt sind. Letztere Variante hat den Vorzug, dass an der Kurbelwelle 2 zugleich Fräsarbeiten (Drehfräsen) als auch Schleifarbeiten (Drehschleifen) ausgeführt werden können.
Sowohl der Fräser 18 als auch das Schleifwerkzeug 27 weisen vorzugsweise einen Durchmesser auf, der geringfügig geringer ist als der Abstand zwischen den Planflächen 14, 15. Wenn zwischen den Planflächen 14, 15 und dem Hubzapfen 12 Ölnuten 29, 30 vorgesehen sind, ist der Durchmesser des Fräsers 18 wie auch des Schleifwerkzeugs 27 vorzugsweise größer als die axiale Länge des Hubzapfens 12. Er kann jedoch auch kleiner bemessen sein. Die Ölnuten 29, 30 sind bei einigen Kurbelwellentypen nicht vorhanden.
Mit der Bearbeitungseinrichtung 1 werden Kurbelwellen 2 folgendermaßen auf Maß bearbeitet:
Zur Bearbeitung wird die Kurbelwelle 2 zunächst in den Spannfuttern 4, 5 aufgenommen. Zur Bearbeitung der Hauptlager 9 sowie weiterer, zu der Drehachse 6 konzentrischen Flächen (Planflächen 10, 11) werden die Spannfutter 4, 5 um die Drehachse 6 gedreht. Zur Bearbeitung der Hubzapfen 12, 13 sowie der anschließenden Planflächen 14, 15 oder anderer zu den Drehachsen 7, 8 konzentrischen Flächen werden die Spannfutter 4, 5 um die Drehachsen 7 bzw. 8 gedreht. Sie vollführen dann eine Orbitalbewegung um die Drehachse 7 oder 8. (Alternativ wird die Kurbelwelle 2 immer um eine festgelegte Drehachse, z.B. Drehachse 6, gedreht und die Arbeitsspindel 20 wird entsprechend nachgeführt.)
Die Bearbeitung der rotationssymmetrischen Flächen wird nachfolgend am Beispiel des Hubzapfens 12 erläutert. Zunächst wird, wie die 1 und 4 veranschaulichen, der Fräser 18 so an den Hubzapfen 12 herangefahren, dass seine Drehachse 21 mit einem Abstand E unterhalb der Drehachse 7 des Hubzapfens 12 steht. Der Fräser 18 rotiert mit hoher Drehzahl um die Drehachse 21. Er wird mit dem Hubzapfen 12 in Eingriff gebracht, wonach der Hubzapfen 12 wenigstens eine einzige ganze Umdrehung in Richtung des Pfeils 31 vollführt. Dabei kann die Exzentrizität E konstant bleiben. Bei einer abgewandelten Verfahrensvariante wird die Exzentrizität während des Fräseingriffs variiert. Unabhängig davon wird die insoweit beschriebene Bearbeitung als orthogonales Drehfräsen bezeichnet. Es kann dabei die Exzentrizität E auf einen geringen Wert von z.B. nahe Null vermindert werden und eine Radialverstellung des Fräsers 18 längs zu der Drehachse 7 vorgenommen werden. Dies gilt insbesondere wenn der Durchmesser des Fräsers 18 deutlich geringer ist als die axiale Länge des Hubzapfens 12. Die Spandicke und der Materialabtrag werden so abgestimmt, dass die Fräsbearbeitung nach vorzugsweise höchstens drei ganzen Umdrehungen, vor zugsweise lediglich zwei ganzen Umdrehungen, des Hubzapfens 12 beendet ist. Dabei wird darauf geachtet, dass Anfang und Ende des durch den Fräser 18 abgefrästen ringförmigen Bereichs genau zusammenkommen. Dazu wird gerne mit etwas mehr als einer ganzen Umdrehung, z.B. mit einer 362°-Umdrehung gearbeitet.
Das in der beschriebenen Drehfräsbearbeitung hinterlassene Aufmaß auf das Sollmaß kann als Prozessparameter vorgegeben werden. Es wird dann für alle Fräsbearbeitungsvorgänge einheitlich eingehalten. Es ist auch möglich, dieses Aufmaß an sich ändernde Gegebenheiten anzupassen. Z.B. kann zu Beginn der Lebenszeit eines Fräswerkzeugs, wenn seine Schneide(n) noch scharf ist (sind) mit einem verminderten Aufmaß gearbeitet werden. Gegen Ende der Lebenszeit, wenn die Schneide(n) des Fräsers 18 etwas gerundet ist (sind), kann mit einem erhöhten Aufmaß gearbeitet werden. Die Änderung des Aufmaßes kann in Abhängigkeit der Anzahl der bereits bearbeiteten Werkstücke oder z.B. anhand von Messungen an den Werkstücken vorgenommen werden. Die Messungen können alle Werkstücke betreffen oder stichprobenweise vorgenommen werden.
Es ist auch möglich, nach jedem Bearbeitungsvorgang oder jeweils nach mehreren Bearbeitungsvorgängen Messungen an dem Fräser 18 vorzunehmen, um dessen Verschleißzustand zu erfassen und das Aufmaß für die Bearbeitung des Werkstücks entsprechend nachzustellen. Mit zunehmendem Fräserverschleiß kann das Aufmaß kontinuierlich oder in Stufen erhöht werden. In gleichem Maße kann der sich anschließende Schleifbearbeitungsvorgang intensiviert werden. Ist bspw. anfänglich, wenn mit einem sehr geringen Aufmaß gearbeitet wird, keine Schleifbearbeitung oder nur eine sehr kurze Schleifbearbeitung erforderlich, kann die Schleifbearbeitung mit zunehmendem Fräserverschleiß und zunehmendem Aufmaß verlängert werden. Dadurch wird eine gleichbleibende Bearbeitungsqualität des Werkstücks sichergestellt. Außerdem kann die Werkzeugstandzeit vergrößert werden.
An die orthogonale Drehfräsbearbeitung schließt sich nun ein orthogonales Drehschleifen an, wie es in den 3 und 5 veranschaulicht ist. Dazu wird das Schleifwerkzeug 27 mit seiner Drehachse 21 an den Hubzapfen 12 herangeführt und in hohe Drehzahl versetzt. Zur Durchführung des Schleifvorgangs wird außerdem der Hubzapfen 12 um die Drehachse 7 gedreht, wobei die Drehzahl mit der Drehzahl bei dem vorigen Drehfräsvorgang übereinstimmen kann. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn an ein und derselben Kurbelwelle zugleich Drehfräs- und Drehschleifarbeiten stattfinden. Vorzugsweise wird die Drehzahl der Kurbelwelle jedoch erhöht, so dass in kurzer Prozesszeit mehrere Umdrehungen vorzugsweise deutlich mehr als drei Umdrehungen des Hubzapfens 12 absolviert werden. Dabei wird das Schleifwerkzeug 27 vorzugsweise in Richtung des Pfeils 31, d.h. radial und mit einem Winkel α zu den Drehachsen 7 und 21 bewegt, so dass die Drehachse 21 die Drehachse 7 schneidet und einmalig oder auch mehrmalig in verschiedenen Richtungen durchläuft. Der Winkel α ist vorzugsweise ein rechter Winkel. Dies gilt insbesondere, wenn die Stirnfläche des Schleifwerkzeugs 27 eine Planfläche ist.
Während beim Drehfräsen ein Aufmaß zwischen 0,1 mm und 0,3 mm, bezogen auf das gewünschte Endmaß der Kurbelwelle 2, erzeugt wird, wird beim orthogonalen Drehschleifen gemäß 3 und 5 noch ein Aufmaß von lediglich höchstens 50 Mikrometern hinterlassen. Damit kann die Kurbelwelle 2 nach Bearbeitung in der Bearbeitungseinrichtung 1 an das Superfinishing übergeben werden. Gesonderte Schleifoperationen sind nicht mehr erforderlich. Das Zerspanungsvolumen im Schleifprozess wird minimiert, indem das Aufmaß für den Fräsprozess so gering festgelegt wird, dass angesichts der nach dem Fräsprozess noch vorhandenen Ungenau- Ungenauigkeiten, Unrundheiten usw. gerade noch genug Material vorhanden ist, um diese Ungenauigkeiten in dem Schleifprozess zu beseitigen. Das Aufmaß für den Fräsprozess kann Werkstückspezifisch festgelegt werden.
Während bei dem Drehfräsvorgang eine Mindestkraft zwischen dem Fräser 8 und der Kurbelwelle 2 nicht unterschritten werden kann, die zum Abheben eines Spans mit endlicher Dicke erforderlich ist, kann beim Drehschleifen mit gegen Ende des Schleifvorgangs allmählich gegen einen niedrigen Grenzwert oder Null laufenden Andruckkräften gearbeitet werden. Dieser Vorgang wird auch „Ausfunken" genannt. Es gelingt dadurch die Herstellung der Kurbelwelle 2 mit hoher Präzision mit einer Genauigkeit besser als ±10 Mikrometer. Die Kurbelwelle 2 kann, wie bei dem Drehfräsvorgang bedarfsweise durch Lünetten unterstützt sein. Im Einzelfall kann darauf insbesondere beim Drehschleifvorgang auch verzichtet werden.
Es ist möglich, der aus 1 ersichtlichen Arbeitsspindel 20 mit Fräser 18 eine zweite z.B. im rechten Winkel dazu angeordnete Arbeitsspindel mit Schleifwerkzeug 27 zuzuordnen, die an dem gleichen Hubzapfen 12 oder 13 positioniert werden, mit diesem jedoch nacheinander in Eingriff kommen. Auf diese Weise kann jeder Hubzapfen 12, 13 und jedes Hauptlager 9 in zwei unmittelbar aufeinander folgenden Arbeitsgängen fertig bearbeitet werden. Es ist jedoch, wie oben erwähnt, auch möglich, zunächst mit dem Fräser 18 alle Arbeitsvorgänge mit definierter Schneide und danach mit dem Schleifwerkzeug 27 alle Schleifvorgänge auszuführen.
Ähnlich wie vorstehend anhand des Hubzapfens 12 beschrieben, werden auch die Zylinderflächen der Hauptlager 9 sowie die Planflächen 14, 15 sowie weitere, an der Kurbelwelle 2 vorhandene, nicht weiter veranschaulichte rotationssymmetrische Flächen bearbeitet. Dazu kann das Schleifwerkzeug 27 als Vollkörper oder, wie 6 in Form des Schleifwerkzeugs 27' veranschaulicht, mit einer zentralen Ausnehmung 33 versehen sein. Mit dieser Maßnahme wird das Auftreten bohrender Reibung beim Durchgang der Drehachse 21 durch die Drehachse 7 vermieden.
Die 7 und 8 veranschaulichen schematisch weitere Arbeitsgänge, die in der Bearbeitungseinrichtung 1 ausgeführt werden können. Beispielsweise können die Ölnuten 29, 30 mit einer Rollierscheibe 34 rolliert werden. Ringförmige Planflächen können mit Rollierwalzen rolliert werden, die eine zu der jeweiligen Drehachse 6, 7 oder 8 radial orientierte Drehachse aufweisen. Dazu können Rollierwerkzeuge an der Arbeitsspindel 20 befestigt werden. Des Weiteren können in der Bearbeitungseinrichtung 1 sonstige Bearbeitungsvorgänge, wie z.B. das Anbringen von Schrägbohrungen mittels eines Bohrers 35 erfolgen, wie 8 andeutet.
Zusammenfassend lässt sich der Kern des beschriebenen Verfahrens an 9 verdeutlichen. Danach erfolgt an der Kurbelwelle 2 zunächst eine Schruppbearbeitung der zu den Drehachsen 6, 7, 8 konzentrischen Flächen. Die Schruppbearbeitung kann in der Bearbeitungseinrichtung 1 oder alternativ auch in einer vorgelagerten Maschine erfolgen. Zur Schruppbearbeitung kommt sowohl das Innenumfangsfräsen als auch Außenumfangsfräsen wie auch das Drehfräsen oder das Drehen in Frage. Sodann erfolgt eine präzise spanende Bearbeitung mit bestimmter Schneide, beispielsweise mit dem Fräser 18, in der Bearbeitungseinrichtung 1. Dieser Vorgang kann als gesonderter Feinbearbeitungsschritt oder auch in Kombination mit der Schruppbearbeitung durchgeführt werden, wenn der verwendete Fräser die geforderte Genauigkeit und Zerspanungsleistung erbringt. Bei der spanenden Bearbeitung mit bestimmter Schneide wird die Kurbelwelle 2 bis auf ein geringes Aufmaß von z. B. 0,2 mm präzise gefertigt. In der gleichen Aufspannung in den Spannfuttern 4, 5 und in dem gleichen Arbeitsraum 3 wird die Kurbelwelle 2 nun an der gleichen Stelle des Arbeitsraums einem Orthogonalschleifvorgang unterzogen, wobei das verbleibende Aufmaß vorzugsweise höchstens 50 Mikrometer beträgt. Nach Durchführung des Orthogonalschleifvorgangs an den Hauptlagern 9, den Hubzapfen 12, 13 sowie weiteren rotationssymmetrischen Flächen, wie beispielsweise den Planflächen 14, 15, wird die Kurbelwelle 2 an das Endfinishing (Superfinish) übergeben. Ein nachfolgender Schleifvorgang ist nicht mehr erforderlich. In der Prozesskette können somit gesonderte Schleifmaschinen entfallen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung kombinieren einen orthogonalen Drehfräsbearbeitungsschritt an einer Kurbelwelle 2 mit einem orthogonalen Drehschleifbearbeitungsschritt. Damit wird einerseits eine hohe Zerspanungsleistung und andererseits eine äußerst hohe Fertigungspräzision bei zugleich höchster Produktivität erreicht.

Claims

Bearbeitungsverfahren für Werkstücke (2) mit rotationssymmetrischen Flächen (9, 12, 13, 14, 15), insbesondere für Kurbelwellen (2), mit einem Verfahrensschritt, in dem das Werkstück (2) in einem Arbeitsraum (3) definiert aufgespannt wird, mit einem Verfahrensschritt, in dem das Werkstück (2) in dem Arbeitsraum (3) an einer rotationssymmetrisch herzustellenden Fläche (9, 12, 13, 14, 15) mit zumindest einem Zerspanungswerkzeug (18) bearbeitet wird, das zumindest eine definierte Schneide (17) aufweist, und mit einem Verfahrensschritt, in dem das Werkstück (2) in demselben Arbeitsraum (3) an der rotationssymmetrisch herzustellenden Fläche (9, 12, 13, 14, 15) mit einem Schleifwerkzeug (27) feinbearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung mit dem Werkzeug (18) mit definierter Schneide (17) und die Bearbeitung mit dem Schleifwerkzeug (27) innerhalb des Arbeitsraumes (3) in der gleichen Aufspannung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung mit dem Werkzeug (18) mit definierter Schneide (17) und die Bearbeitung mit dem Schleifwerkzeug (27) an der gleichen Stelle des Arbeitsraumes (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung mit definierter Schneide (17) ein Drehfräsbearbeitungsvorgang ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehfräsvorgang als orthogonales Drehfräsen durchgeführt wird, bei dem die Drehachse (6, 7, 8) des Zerspanungswerkzeugs (18) rechtwinklig zu der Drehachse (6, 7, 8) der zu erzeugenden rotationssymmetrischen Fläche (9, 12, 13, 14, 15) orientiert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (21) des Zerspanungswerkzeugs (18) mit einem Achsversatz (E) zu der Drehachse (6, 7, 8) der zu erzeugenden Fläche (9, 12, 13, 14, 15) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifbearbeitung als Drehschleifbearbeitungsvorgang durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehschleifvorgang als orthogonales Drehschleifen ausgeführt wird, bei dem die Drehachse (21) des Schleifwerkzeugs (27) rechtwinklig zu der Drehachse (6, 7, 8) der zu erzeugenden rotationssymmetrischen Fläche (9, 12, 13, 14, 15) orientiert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (21) des Schleifwerkzeugs (27) mit einem Achsversatz (E) zu der Drehachse (6, 7, 8) der zu erzeugenden Fläche (9, 12, 13, 14, 15) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Achsversatz (E) während der Schleifbearbeitung geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifwerkzeug während der Bearbeitung an dem Werkstück (2) vorbei bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifwerkzeug (27) während der Bearbeitung an dem Werkstück (2) in nur einer Richtung vorbei bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifwerkzeug (27) während der Bearbeitung an dem Werkstück (2) in zwei einander entgegengesetzten Richtungen vorbei bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanungswerkzeug (18) wenigstens eine Stirnschneide (17) aufweist, die bei ihrer Rotation eine ebene Fläche definiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanungswerkzeug (18) wenigstens eine Stirnschneide (17) aufweist, die bei ihrer Rotation eine kegelförmige Fläche definiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanungswerkzeug (18) wenigstens eine Umfangsschneide (19) aufweist, die bei ihrer Rotation eine Zylinderfläche definiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifwerkzeug (27) eine ebene Stirnfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifwerkzeug (27) eine kegelförmige Stirnfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifwerkzeug (27) eine zylindrische Umfangsfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanungswerkzeug (18) mit der wenigstens einen geometrisch bestimmten Schneide (17) und das Schleifwerkzeug (27) nacheinander an der gleichen Arbeitsspindel (20) eines Bearbeitungszentrums (1) benutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanungswerkzeug (18) mit der wenigstens einen geometrisch bestimmten Schneide (17) und das Schleifwerkzeug (27) nacheinander an unterschiedlichen Arbeitsspindeln eines Bearbeitungszentrums (1) benutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche (9, 12, 13, 14, 15) bei der Bearbeitung mit bestimmter Schneide (17) um maximal drei Umdrehungen um ihre Drehachse gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche (9, 12, 13, 14, 15) bei der Bearbeitung mit bestimmter Schneide (17) um maximal zwei Umdrehungen um ihre Drehachse (6, 7, 8) gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche (9, 12, 13, 14, 15) bei der Bearbeitung mit bestimmter Schneide (17) um maximal eine Umdrehungen um ihre Drehachse (6, 7, 8) gedreht wird.
verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche (9, 12, 13, 14, 15) bei der Bearbeitung mit bestimmter Schneide (17) um 360° oder ein ganzzahliges Vielfaches davon um ihre Drehachse (6, 7, 8) gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche (9, 12, 13, 14, 15) bei der Schleifbearbeitung um mehr als 360° um ihre Drehachse (6, 7, 8) gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche (9, 12, 13, 14, 15) bei der Schleifbearbeitung mehr als drei Umdrehungen um ihre Drehachse (6, 7, 8) gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bearbeitende Fläche (9, 12, 13, 14, 15) eine Hauptlagerfläche und/oder eine Hublagerfläche und/oder eine Ölbundfläche und/oder eine Passlagerfläche einer Kurbelwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt, in dem das Werkstück (2) mit definierter Schneide (17) bearbeitet wird, als Trockenbearbeitungsvorgang ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt, in dem das Werkstück (2) mit einem Schleifwerkzeug (27) feinbearbeitet wird, als Trockenbearbeitungsvorgang ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt, in dem das Werkstück (2) mit einem Schleifwerkzeug (27) feinbearbeitet wird, als Nassbearbeitungsvorgang ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifwerkzeug (27) zwischen Bearbeitungsschritten mit einem Reinigungsfluid gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifwerkzeug (27) während des Einsatzes mit einem Reinigungsfluid gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass Reinigungsfluid Petroleum ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schleifverfahrensschritt Endmaßgenauigkeit mit einem Aufmaß von maximal 5/100 mm erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag bei der Bearbeitung mit bestimmter Schneide wenige Zehntel Millimeter beträgt und ein Aufmaß zum Endmaß von maximal 5/100 mm erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der gleichen Aufspannung des Werkstücks (2) ein Glattwalzen einer Fläche, insbesondere einer Passlagerfläche durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der gleichen Aufspannung des Werkstücks (2) Rollierarbeitsgänge durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der gleichen Aufspannung des Werkstücks (2) Bohrarbeitsgänge durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein für die Bearbeitung mit definierter Schneide (17) einzuhaltendes Aufmaß während der Einsatzdauer des Zerspanungswerkzeugs (18) adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Bearbeitung mit definierter Schneide vorgesehene Aufmaß anhand des Verschleißzustandes der Schneide adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Aufmaßes im Rahmen einer ständigen oder stichprobenweisen Fertigungskontrolle durchgeführt wird.
Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Mittel zum aufeinander folgenden Einsatz eines Fräswerkzeugs und eines Schleifwerkzeugs an der gleichen Fläche des Werkstücks in ein und derselben Aufspannung.
Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanungswerkzeug (18) Stirnschneiden aufweist, die an einem einzigen Schneidkörper ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidwerkzeug (18) mehrere Schneidplatten aufweist, die in Einbauposition im Werkzeugkörper präzise geschliffen worden sind.