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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Flachschleifverfahren zur Erzeugung
einer im Wesentlichen ebenen Werkstückoberfläche eines Werkstückes durch
Schleifen sowie auf eine zur Durchführung des Flachschleifverfahrens
geeignete Flachschleifmaschine. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die
Erzeugung von weitestgehend ebenen Werkstückoberflächen mit definierter Oberflächenmikrostruktur
bei metallischen Werkstücken
für den
Motorenbau.
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Bei
der Herstellung von Zylinderblöcken
bzw. Zylinderkurbelgehäusen
für Brennkraftmaschinen muss
am Zylinderblock an dessen dem Zylinderkopf zugewandten Seite eine
möglichst
ebene Abschlussfläche
geschaffen werden, die als Anlagefläche für die Zylinderkopfdichtung
dient. Die Abdichtung zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf durch eine
Zylinderkopfdichtung wird wegen der zunehmend höheren Verdichtung insbesondere
im Bereich der Dieselmotoren, aber auch bei Ottomotoren, immer stärker beansprucht
und stellt steigende Ansprüche
an die Fertigungsqualität.
Um die Funktion der Abdichtung zu gewährleisten, aber auch um kostengünstigere
Dichtungen verwenden zu können,
wer den heutzutage die dem Zylinderkopf zugewandten Abschlussflächen zunächst durch
Fräsen
weitestgehend geebnet und anschließend wird durch Schleifen die
Ebenheit weiter verbessert und die gewünschte Oberflächenmikrostruktur
hergestellt. Durch Schleifen wird in der Regel eine geringere Rautiefe
und Welligkeit und eine bessere Ebenheit der durch Fräsen vorbearbeiteten
Abschlussfläche
erzielt. Außerdem
kann beim Schleifprozess ggf. ein Oberflächenbild mit sich kreuzenden
Riefen, d. h. ein sogenannter Kreuzschliff erzeugt werden, der für die Wirksamkeit
der Abdichtung in der Regel vorteilhaft ist.
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In
der Großserienfertigung
werden zur Schleifbearbeitung von ebenen Werkstückoberflächen an Werkstücken häufig Seitenplanschleifverfahren
eingesetzt, die sich durch eine besonders hohe Produktivität und eine
gute Prozesssicherheit auszeichnen. Beim Seitenplanschleifen wird
mit einer Stirnfläche
(Seitenfläche)
eines rotierenden Schleifwerkzeugs geschliffen. Das Schliffbild
kann durch Einstellung des sogenannten Sturzes, d. h. der Neigung
der Schleifspindelachse zur Werkstückoberflächennormalen optimiert werden.
Die den Materialabtrag bestimmende Zustellung des Schleifewerkzeugs
erfolgt wie beim Quer-Seitenplanschleifen
in Richtung der zu schleifenden Fläche, wobei zur Vorschuberzeugung
während
des Schleifens das Werkstück
z. B. unter der Schleifscheibe hindurchbewegt wird.
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Bei
einem bekannten Verfahren werden gute Schleifergebnisse dadurch
erzielt, dass dem rotierenden Schleifwerkzeug ein rotierendes Werkstück gegenübergestellt
wird. Durch die Überlagerung
der beiden Rotationsbewegungen kann durch mehrfaches Überschleifen
der Werkstückoberfläche bei
geeigneter Verfahrensführung
eine bessere Ebenheit der Werkstückoberfläche erzielt
werden als bei Längsschleifverfahren,
bei denen die Werkstücke
in einem Durchlauf mit geradliniger Vorschubbewegung den Arbeitsraum
im Bereich des Schleifwerkzeugs passieren.
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Bei
einem bekannten Verfahren werden die Zylinderkurbelgehäuse dem
Werkstücktransfer
einer Fertigungslinie entnommen, durch eine Portaleinrichtung einem
Rundtisch zugeführt
und dort z. B. mit Bezug zur Kurbelwellenbohrung gespannt. Der Rundtisch
ist auf einem Schlitten montiert, durch den das Werkstück unter
eine Schleifscheibe der Flachschleifmaschine gelangt. Für die Bearbeitung
wird das Werkstück
unter der rotierenden Schleifscheibe in einer langsamen Drehbewegung
hindurchbewegt. Die Drehachse des Rundtisches verläuft dabei
durch das sich drehende Werkstück.
Bei einer Variante werden zwei Werkstücke diametral gegenüberliegend
auf einem Rundtisch aufgenommen, wobei die Werkstücke jeweils
außerhalb
der Drehachse des Rundtisches angeordnet sind.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Flachschleifverfahren und eine
zur Durchführung
des Flachschleifverfahrens geeignete Flachschleifmaschine bereitzustellen,
die eine wirtschaftliche Integration in den Transfer einer Fertigungslinie
ermöglichen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Flachschleifverfahren
und eine zur seiner Durchführung
geeignete Flachschleifmaschine bereitzustellen, mit der durch Schleifen
weitestgehend ebene Werkstückoberflächen mit
geringer Welligkeit und geringer Rauhigkeit erzeugbar sind. Insbesondere soll
es auf einfache Weise möglich
sein, unterschiedliche vorteilhafte Schliffbilder zu erzeugen.
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Zur
Lösung
dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung ein Flachschleifverfahren
mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Flachschleifmaschine
mit den Merkmalen von Anspruch 12 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben. Der Wortlaut sämtlicher
Ansprüche
wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Flachschleifverfahren
zur Erzeugung einer im Wesentlichen ebenen Werkstückoberfläche eines
Werkstücks
durch Schleifen wird ein an einer Schleifspindel angebrachtes Schleifwerkzeug
um eine im Wesentlichen senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtete Schleifspindelachse
derart gedreht, dass eine Stirnfläche des Schleifwerkzeugs mindestens
teilweise in Bearbeitungseingriff mit der Werkstückoberfläche steht. Es handelt sich
somit um eine Variante des Seitenplanschleifens. Weiterhin wird
eine exzentrische Drehbewegung (Exzenterbewegung) der Schleifspindel
um eine in einem Exzenterabstand zu der Spindelachse angeordnete
Schleifeinheitsachse erzeugt. Dadurch führt das relativ schnell um
die Schleifspindelachse rotierende Schleifwerkzeug während der Bearbeitung
der Werkstückoberfläche zusätzlich zu der
relativ schnellen, für
den Materialabtrag maßgeblich
verantwortlichen Drehung um die Schleifspindelachse eine in der
Regel demgegenüber
wesentlich langsamere, exzentrische Drehbewegung (Exzenterbewegung)
um die Schleifeinheitsachse aus, so dass die Arbeitsbewegung des
Schleifwerkzeugs insgesamt eine Überlagerung
zweier unterschiedlicher Drehbewegungen (relativ schnelle Rotation
um die Schleifspindelachse, langsamere Exzenterbewegung) enthält. Durch
diese Kinematik der Werkzeugbewegung ist es möglich, sehr ebene Oberflächen durch
Schleifen zu erzeugen.
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Der
wesentliche Beitrag zur Schnittgeschwindigkeit, mit der ein Schleifkörper des
Schleifwerkzeugs in das Werkstückmaterial
eingreift, resultiert bei diesem Verfahren in der Regel aus der
Eigendrehung des Schleifwerkzeugs, das sich typischerweise mit hoher
Drehzahl von wesentlich mehr als 100 U/min dreht. Typische Drehzahlen
können
z. B. zwischen ca. 500 U/min und wenigen 1000 U/min liegen, beispielsweise
im Bereich zwischen ca. 1000 U/min und ca. 2000 U/min. Die zur Erzeugung
der Exzenterbewegung beitragende Drehbewegung ist demgegenüber in der
Regel sehr langsam. Eine entsprechende Frequenz kann im Bereich
zwischen ca. 0,5 Hz und 3 Hz liegen, insbesondere zwischen 0,8 Hz
und ca. 2 Hz, beisielsweise um ca. 1 Hz.
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Die
Exzenterbewegung ist vorzugsweise periodisch, kann jedoch auch aperiodisch
sein.
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Die
Exzenterbewegung der Schleifspindel kann mit kontinuierlicher Drehrichtung,
d. h. mit gleichbleibendem Drehsinn erfolgen, wodurch die auf die
Schleifspindel wirkenden Beschleunigungskräfte besonders gering gehalten
werden können.
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Bei
einer anderen Verfahrensvariante wird die Drehbewegung (Exzenterbewegung)
mit wechselndem Drehsinn, d. h. pendelnd durchgeführt. Bei dieser
Verfahrensführung
ist also eine mehrfache Drehrichtungsumkehr der Exzenterbewegung
vorgesehen. Die Schwingungsweite der pendelnden Exzenterbewegung
kann so eingestellt sein, dass das Schleifwerkzeug pro Zeiteinheit
wesentlich länger
mit der Werkstückoberfläche in Bearbeitungseingriff steht
als bei einer kontinuierlichen drehenden Exzenterbewegung. Hierdurch
sind besonders schnelle Bearbeitungsprozesse möglich.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird weiterhin eine lineare, vorzugsweise geradlinige, Relativverschiebung
zwischen dem um die Schleifspindelachse rotierenden und exzentrisch
gedrehten Schleifwerkzeug und dem Werkstück in einer im Wesentlichen
senkrecht zur Schleifspindelachse ausgerichteten Vorschubebene erzeugt.
Dadurch kann erreicht werden, dass das Schleifwerkzeug bei der Bearbeitung
relativ zur Werkstückoberfläche eine
zykloidartige Vorschubbahn beschreibt. Der Vorschub entlang der
Vorschubbahn wird in diesem Falle durch zwei einander überlagerte
Bewegungen erzeugt, wovon eine die Exzenterbewegung der Schleifspindel und
die andere die lineare Relativverschiebung ist.
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Die
Vorschubbahn kann beispielsweise als zyklische Kurve oder Radkurve
beschrieben werden, wie sie ein Kreispunkt beim Abrollen eines Kreises auf
einer Leitkurve, z. B. einer Geraden, beschreibt. Die Vorschubbahn
kann im Wesentlichen den Verlauf einer gewöhnlichen Zykloide haben, die
einer Aneinanderreihung von bogenförmigen Bahnabschnitten gleicht.
Die Vorschubbahn kann auch einer verkürzten Zykloide ähneln, bei
der sich zwischen längeren Bogenabschnitten
kürzere
Bogenabschnitt mit umgekehrtem Krümmungssinn befinden. Hier sind
also die bei einer gewöhnlichen
Zykloide entstehenden Spitzen zwischen benachbarten Bögen abgerundet. Häufig hat
die Vorschubbahn im Wesentlichen den Verlauf einer verlängerten
Zykloide, bei der sich zwischen benachbarten Bogenabschnitten der
Vorschubbahn noch Schleifen befinden.
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Vorteilhafterweise
kann die Relativverschiebung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstückoberfläche so durchgeführt werden,
dass jeder Bereich der Werkstückoberfläche mehrfach
in unterschiedlichen Richtungen durch das Schleifwerkzeug bearbeitet
wird, wodurch eine Voraussetzung für sehr ebene Oberflächenform
geschaffen ist.
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Obwohl
es möglich
ist, dass ein Teil der Relativbewegung zwischen Schleifwerkzeug
und Werkstück
durch eine Bewegung des Werkstücks
während
der Bearbeitung erzeugt wird, ist bei bevorzugten Verfahrensvarianten
vorgesehen, dass das Werkstück
während
der Bearbeitung ruht. Bei dieser Ausführungsform wird somit die Vorschubbewegung
des rotierenden Schleifwerkzeugs ausschließlich durch geeignete Bewegungen
der Schleifspindel quer zur Schleifspindelachse erzeugt. Da für den Schleifprozess
bei dieser Ausführungsform
keine Bewegung des Werkstücks
erforderlich ist, ist eine Integration in Transfermaschinen besonders
leicht möglich.
Außerdem
können
entsprechende Werkstückhaltevorrichtungen
einfach ausgeführt
werden, da keine beweglichen Einrich tungen zur Bewegung des Werkstücks während der
Schleifbearbeitung vorgesehen sein müssen.
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Bei
einer Ausführungsform
wird während
des Schleifens der Werkstückoberfläche eine
Inprozessmessung des Bearbeitungsfortschritts durchgeführt, um
den an der Werkstückoberfläche durch
Schleifen erzeugten Werkstückabtrag
kontinuierlich zu überwachen.
Die Inprozessmessung liefert ein Messignal, das vorzugsweise durch
eine Steuereinrichtung der Flachschleifmaschine verarbeitet wird,
um den Flachschleifprozess nach Maßgabe des Messsignals zu steuern.
Durch diese Signalrückführung ist
ist ein geregelter Schleifprozess möglich. Wenn das angestrebte
Sollmaß erreicht
ist, kann die Bearbeitung über
die Steuereinrichtung der Flachschleifmaschine automatisch beendet
werden. Bei Einsatz einer Inprozessmessung kann gegebenenfalls auf
das bei anderen Verfahren erforderliche Abrichten des Schleifwerkzeugs
verzichtet werden bzw. die Abstände
zwischen den Abrichtvorgängen
können
erhöht werden.
Ein Abrichten des Schleifwerkzeugs kann zur Konditionierung der
Schärfe
vorgesehen sein, jedoch ist ein Abrichten zur Einstellung der wirksamen Form
des Schleifwerkzeugs bei Nutzung einer Inprozessmessung in der Regel
nicht erforderlich, da die erzielte Werkstückform bzw. der erzielte Werkstückabtrag
direkt überwacht
werden können.
Da im Übrigen
durch eine z. B. zykloidartige Vorschubbewegung des rotierenden
Schleifwerkzeugs bei geeigneter Auslegung der Prozessparameter ein
hoher Grad an Ebenheit der Werkstückoberfläche prinzipbedingt erreichbar
ist, ist der Bearbeitungserfolg erfindungsgemäßer Flachschleifverfahren wesentlich
weniger von der exakten Einhaltung der Schleifwerkzeuggeometrie
abhängig
als bei herkömmlichen
Schleifverfahren.
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Eine
zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Flachschleifmaschine zum Bearbeiten einer im
Wesentlichen ebenen Werkstückoberfläche eines Werkstücks durch
Flachschleifen hat mindestens eine Schleifein heit mit einer um eine
Schleifspindelachse drehbaren Schleifspindel zum Ankoppeln eines
Schleifwerkzeugs und eine Werkstückhalteeinrichtung
zum Halten des Werkstücks
in einer Bearbeitungsposition, in der die zu bearbeitenden Werkstückoberfläche im Wesentlichen
senkrecht zur Schleifspindelachse ausgerichtet ist. Die Schleifeinheit
hat eine im Wesentlichen parallel zur Schleifspindelachse ausgerichtete
Schleifeinheitsachse und die Schleifspindel ist exzentrisch zur
Schleifeinheitsachse angeordnet und mittels einer ersten Antriebseinrichtung
(Exzenterantriebseinrichtung) um die Schleifeinheitsachse verschwenkbar.
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Vorzugsweise
ist eine zweite Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer, vorzugsweise
geradlinigen, Relativverschiebung zwischen Schleifeinheit und Werkstückhalter
in einer im Wesentlichen senkrecht zur Schleifspindelachse ausgerichteten
Vorschubrichtung vorgesehen.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
ist die Schleifeinheit linear verschiebbar an einem Maschinenkörper der
Flachschleifmaschine gelagert und die zweite Antriebseinheit ist
zur Erzeugung einer geradlinigen Vorschubbewegung der Schleifeinheit
in einer im Wesentlichen senkrecht zur Schleifspindelachse ausgerichteten
Vorschubrichtung eingerichtet. Auf diese Weise können alle für die Bearbeitung des Werkstücks erforderlichen
Bewegungen auf Seiten des Schleifwerkzeugs vorgesehen sein, so dass
das Werkstück
während
der Bearbeitung ruhen kann.
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Zur
Erzeugung der Exzenterbewegung der Schleifspindel sind unterschiedliche
Varianten möglich.
Bei einer Ausführungsform
hat die Schleifeinheit einen Grundkörper und eine an dem Grundkörper um eine
Schleifeinheitsachse der Schleifeinheit drehbare Exzentereinrichtung,
wobei die Schleifspindel in der Exzentereinrichtung exzentrisch
zur Schleifeinheitsachse angeordnet ist. Die Exzentereinrichtung
kann beispielsweise eine Exzenterscheibe haben, die mit Hilfe geeigneter
Axial- Radial-Lager
begrenzt oder unbegrenzt drehbar am Grundkörper der Schleifeinheit gelagert
ist.
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Je
nach Ausgestaltung der Schleifeinheit kann es relativ schwierig
sein, die zur rotierenden Schleifspindel führenden Einrichtungen, wie
Schläuche,
Kabel oder dergleichen so zu führen,
dass die gewünschten
Exzenterbewegungen der Schleifspindel ohne Einschränkungen
möglich
sind. Bei einer Ausführungsform
ist die Schleifspindel in einer Spindeleinheit drehbar gelagert
und die Spindeleinheit ist in der Exzentereinrichtung drehbar gelagert.
Die Spindeleinheit kann insbesondere den zur Drehung der Schleifspindel
erforderlichen Drehantrieb beinhalten, der beispielsweise gemeinsam
mit der Schleifspindel innerhalb eines Gehäuses der Spindeleinheit untergebracht
sein kann. Durch die drehbare Zwischenlagerung der Spindeleinheit
in der wiederum drehbar gelagerten Exzentereinrichtung ist es möglich, dass
die Spindeleinheit während
der Drehung der Schleifspindel und der Exzenterbewegung der Schleifspindel
nur leicht hin und her schwenkt, so dass Kabel, Schläuche und
dergleichen ohne Probleme angebracht werden können. Schleifkontakte oder andere
Drehübertragungselemente
zwischen der Schleifspindel und den Grundkörper der Schleifeinheit sind
dadurch entbehrlich, so dass eine besonders robuste und gegen Störungen weitgehend
unanfällige
Konstruktion geschaffen ist.
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Um
das bei der Exzenterbewegung auf die Spindeleinheit wirkende Drehmoment
abzustützen, kann
eine Abstützeinrichtung
zur weitgehend verdrehgesicherten Abstützung der Spindeleinheit an den
Grundkörper
vorgesehen sein.
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Um
für jeden
Bearbeitungsprozess einen optimalen Sturz der Spindelachse gegenüber der
Werkstückoberflächennormalen
einzustellen, umfast die Schleifeinheit vorzugsweise eine Neigungseinstelleinrichtung
zur variablen Einstellung eines vorgebbaren Neigungswinkels zwischen
der Schleifeinheitsachse der Schleifeinheit und der Spindelachse.
Insbesondere kann die Neigung der Spindeleinheit gegenüber der
Exzentereinrichtung variabel einstellbar sein.
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Diese
und weitere Merkmale gehen außer den
Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für
sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
einer Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für
sich schutzfähige
Ausführungen
darstellen können.
Ausführungsbeispiele
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
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1 ist
eine schrägperspektivische
Darstellung einer Ausführungsform
einer Flachschleifmaschine, die in eine Transferstraße integriert
ist;
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2 ist
eine schematische Schnittansicht durch die in 1 gezeigte
Schleifeinheit und ein damit bearbeitetes Werkstück;
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3 zeigt
eine schematische Ansicht der Schleifeinheit von 2 im
Wesentlichen parallel zur Schleifspindelachse;
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4 ist
eine schematische Darstellung der Werkzeugbewegungen bei einer Ausführungsform eines
Flachsschleifverfahrens gemäß der Erfindung;
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5 zeigt
eine Ausführungsform
einer Flachschleifmaschine mit zwei Einfahrtischen; und
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6 zeigt
eine Ausführungsform
einer Flachschleifmaschine in Portalkonstruktion.
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1 zeigt
eine Flachschleifmaschine 100, die in eine Transferstraße zur Bearbeitung
von Zylinderkurbelgehäusen
für den
Motorenbau integriert ist. Die Werkstücke gelangen entlang einer
geradlinigen Transferstrecke 102 von vorgeschalteten Bearbeitungsstationen
in die in 1 gezeigte Bearbeitungsposition
an der Flachschleifmaschine 100, wo sie während der
Flachschleifbearbeitung ruhen. Nach Abschluss der Flachschleifbearbeitung
werden sie in Transferrichtung 104 zu nachfolgenden Bearbeitungsstationen
weitertransportiert. Eine der vorgeschalteten Bearbeitungsstationen
ist eine Frässtation,
mit der die als Anlagefläche
für eine
Zylinderkopfdichtung vorgesehene, im Folgenden auch kurz als „Brennraumfläche" 112 bezeichnete
obere Abschlussfläche 112 eines
Zylinderkurbelgehäuses 110 plangefräst wird.
Die Flachschleifmaschine dient dazu, die plangefräste Werkstückoberfläche 112 durch Flachschleifen
hinsichtlich Ebenheit, Welligkeit und Oberflächenmikrostruktur (insbesondere
Rauheit) so zu optimieren, dass die Funktion der Abdichtung zwischen
Zylinderkurbelgehäuse
und Zylinderkopf auch bei hohen Verdichtungen zuverlässig gewährleistet ist.
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Die
Flachschleifmaschine 100, die im Folgenden aus Gründen der
Einfachheit auch kurz als „Schleifmaschine" bezeichnet wird,
ist als Seitenplanschleifmaschine ausgeführt. Wie anhand der 1 bis 3 gut
zu erkennen ist, hat die Schleifmaschine 100 eine Schleifeinheit 120 mit
einer im Wesentlichen vertikal ausgerichteten Schleifspindel 125,
die mit Hilfe eines Spindelantriebs 122 um eine Schleifspindelachse 124 drehbar
ist. An das untere Ende der Schleifspindel ist ein Schleifwerkzeug 130 angekoppelt,
das im Beispielsfall als Topfschleifscheibe ausgestaltet ist. Die
generell nach oben gerichtete, zu bearbeitende Werkstückoberfläche 112 wird
mit der dem Werkstück
zugewandten Stirnseite des Schleifwerkzeugs bearbeitet (Stirnschleifen),
wobei die Schleifspindelachse 124 im Wesentlichen senkrecht
zur Werkstückoberfläche 112 steht. Üblicherweise
ist die Schleifspindelachse geringfügig gegenüber der Normalen zur Werkstückoberfläche geneigt.
Durch Einstellung einer geeigneten Neigung (Sturz) der Schleifspindelachse
zur Werkstückoberflächennormalen
kann das Schliffbild beeinflusst werden.
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Die
Schleifeinheit 120 ist mit Hilfe einer Vertikalschlitteneinheit 130 entlang
von vertikalen Führungsschienen 132 mit
Hilfe eines nicht gezeigten Vertikalantriebs in vertikaler Richtung
verfahrbar. Der Vertikalschlitten ist mit Hilfe einer Horizontalschlitteneinheit 140 entlang
von horizontalen Führungsschienen 142 in
horizontaler Richtung verfahrbar, wobei diese Horizontalbewegung
mit Hilfe eines Horizontalantriebs 145 bewirkt wird, der über einen
Spindeltrieb 144 über
entsprechende Spindelmuttern an dem Horizontalschlitten angreift.
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Die
Schlitteneinheiten werden von einer Basiskonstruktion 106 der
Flachschleifmaschine 100 getragen, die sich nach Art eines
Tores so über
die Transportstrecke der Transfereinrichtung erstreckt, dass das
zu bearbeitende Werkstück 110 mit
Hilfe der Transporteinrichtungen der Transferstrecke direkt, d.
h. ohne zwischengeschaltete Manipulatoren, in die in 1 gezeigte
Bearbeitungsposition der Flachschleifmaschine bewegt und nach Abschluss der
Schleifbearbeitung zu nachfolgenden Stationen bewegt werden kann.
Für die
Schleifbearbeitung wird das zu bearbeitende Werkstück an einer
Werkstückhalteeinrichtung 150 der
Flachsschleifmaschine abgesetzt und dort so eingespannt, dass die
zu bearbeitende Werkstückoberfläche 112 horizontal
und im Wesentlichen senkrecht zur Schleifspindelachse ausgerichtet
ist. Da das Werkstück
bei dieser Ausführungsform
der Schleifbearbeitung ruht, kann die Werkstückhaltereinrichtung sehr einfach
konstruiert sein.
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Wie
besonders gut in den 2 und 3 erkennbar
ist, hat die Schleifeinheit 120 eine Schleifeinheitsachse 128,
die im Rahmen der Toleranzen exakt parallel zu den vertikalen Führungsschienen 132 und
exakt senkrecht zu den horizontalen Führungsschienen 142 steht.
Bei lagerichtig eingespanntem Werkstück verläuft die Schleifeinheitsachse 128 somit parallel
zur gewünschten
Normalenrichtung der zu schleifenden Werkstückoberfläche 112. Wie bereits
erwähnt,
kann die Schleifspindelachse 124 gegenüber dieser Normalenrichtung
geringfügig
geneigt sein. Typische Neigungswinkel liegen im Bereich von 1° oder darunter.
Eine Schrägstellung
der Schleifspindelachse führt
dazu, dass der Bearbeitungseingriff zwischen Schleifwerkzeug und
Werkstückoberfläche im Wesentlichen
nur in dem am tiefsten liegenden Umfangsabschnitt des Schleifwerkzeuges
in einem relativ schmalen Schleifbereich durchgeführt wird.
Mit Hilfe einer Einstellung des Neigungswinkels können unterschiedliche
Schliffbilder erzeugt werden.
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Die
Schleifeinheit hat einen an dem Vertikalschlitten befestigten Grundkörper 160,
der im Beispielsfall seitliche, vertikale Winkelplatten und eine horizontale
Bodenplatte 161 umfasst. Die Bodenplatte hat eine zentrisch
zur Schleifeinheitsachse 128 angeordnete kreisförmige Ausnehmung,
in der eine Exzenterscheibe 170 mit Hilfe eines ringförmigen Axial-Radial-Lagers 171 drehbar
gelagert ist, wobei die Drehachse der Exzenterscheibe 170 mit
der Schleifeinheitsachse 128 der Schleifeinheit zusammenfällt bzw.
diese definiert. Auf der Bodenplatte 161 ist eine als Exzenterantrieb
dienende erste Antriebseinrichtung 179 befestigt. Sie umfasst
einen von der Steuerung der Flachschleifmaschine ansteuerbaren Elektromotor
und ein Getriebe mit Zahnrädern,
von denen eines an einem entsprechenden Zahnrad der Exzenterscheibe
angreift, um diese relativ zur Bodenplatte 161 zu verdrehen.
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Die
Exzenterscheibe 170 hat eine kreisförmige Ausnehmung 172,
die exzentrisch zur Schleifeinheitsachse angeordnet ist, wobei die
Zentralachse der Ausnehmung 172 bei zusammengebauter Schlelfeinheit
im Wesentlichen (bis auf eine eventuelle Neigung der Schleifspindelachse)
mit der Schleifspindelachse 124 zusammenfällt. Zwischen
der Schleifspindelachse 124 und der Schleifeinheitsachse 128 besteht
ein Exzenterabstand EX, der z. B. zwischen ca. 5% und 50%, insbesondere
zwi schen 10% und 20% des Durchmessers des Schleifwerkzeuges betragen
kann und im Beispielsfall ca. 15% des Schleifwerkzeugdurchmessers
beträgt.
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In
die Aufnahmeöffnung 172 der
Exzenterscheibe ist ein im Wesentlichen hülsenförmiges Zwischenelement 174 eingesetzt,
das gegenüber
der Exzenterscheibe 170 begrenzt kippbeweglich ist und einen
nach außen über die
Exzenterscheibe hinausragenden Ringbund 175 hat, in dem
vier gleichmäßig in Umfangsrichtung
verteilte Führungshülsen 176 einer
Neigungseinstelleinrichtung zum Einstellen eines vorgebbaren Neigungswinkels
zwischen der Schleifeinheitsachse 128 und der Schleifspindelachse 124 vorgesehen
sind.
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In
die zylindrische innere Öffnung
des auch als Aufnahmering bezeichneten Zwischenelements 174 ist
eine Spindeleinheit 180 mit generell zylindrischer Außenkontur
eingesetzt und gegenüber
dem Zwischenelement 174 mit Hilfe eines zweiten Axial-Radial-Lagers 181 drehbar
gelagert. Die Spindeleinheit 180 hat ein im Wesentlichen
zylindrisches Gehäuse 181,
in dem die gegenüber
dem Gehäuse drehbare
Schleifspindel 125 sowie der zugehörige Spindelantrieb 122 untergebracht
sind.
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Das
Gehäuse 181 der
Spindeleinheit 180 stützt
sich mit Hilfe einer Abstützeinrichtung 190 am Grundkörper 160 der
Schleifeinheit ab. Die Abstützeinrichtung 190 umfasst
einen am Gehäuse 181 der Spindeleinheit 180 befestigten,
horizontal abragenden Hebelarm 191 mit einem Langloch 192,
sowie einen an der Bodenplatte 161 befestigten, vertikalen Führungszapfen 193,
der in das Langloch 192 im Wesentlichen seitenspielfrei,
jedoch entlang der Länge
des Langlochs beweglich eingreift.
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Mit
der Flachschleifmaschine 100 kann insbesondere das nachfolgend
beschriebene Flachschleifverfahren durchgeführt werden. Wie erwähnt, ist
die Flachschleifmaschine im Beispielsfall für das Schleifen der Brennraumfläche 112 von
Zylinderkurbelgehäusen
ausgeführt.
Sie ist in den Transfer bestehend aus vorangehenden Fertigungsoperationen (z.
B. Vor-, Zwischen- oder Fertighonen, Honen der Lagergasse, Planfräsen der
Brennraumfläche)
und nachfolgenden Operationen (z. B. Messen, Bürsten und/oder Waschen) eingebunden.
Mit Hilfe der standardmäßigen Funktionen
der Transporteinrichtung gelangt das Werkstück 110 in die in 1 und 2 gezeigte
Bearbeitungsposition, in der die Brennraumflache 112 geschliffen
werden kann. Es sind keine weiteren zusätzlichen Einrichtungen wie
Querschlitten, Portalachsen oder Transporttische erforderlich. Das
Werkstück
wird mit Hilfe der Werkstückhalteeinrichtung 160 so
gespannt, dass ein Bezug zwischen der zu bearbeitenden Brennraumflache 112 und
der Kurbelwellenbohrung derart herstellt wird, dass die zu bearbeitende
Brennraumfläche 112 senkrecht
zur Schleifeinheitsachse 128 der Schleifeinheit ausgerichtet
ist. Das Werkstück
befindet sich während
der Bearbeitung in Ruhe.
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Als
Schleifwerkzeug 130 kann beispielsweise eine Segmentscheibe
mit einzelnen, eingespannten Schleifsteinen eingesetzt werden. Der
Antrieb des Schleifwerkzeugs erfolgt durch die Schleifspindel 125,
die die Motorachse eines elektromotorischen Spindelntriebs 122 ist,
dessen Drehzahl z. B. durch eine Frequenzumrichter geeignet eingestellt
werden kann.
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Das
Gehäuse 181,
welches die Schleifspindel 125 aufnimmt, ist wegen der
elektrischen Anschlüsse
drehbar in dem als Aufnahmering dienenden Zwischenelement 174 gelagert,
damit es von der Drehung der Exzenterscheibe 170 nicht
mitgenommen wird. Außerdem
erhält
das Gehäuse
der Spindeleinheit über
den Hebelarm 191 und den Zapfen 193 eine Drehmomentabstützung. Das
Zwischenelement 174 kann durch die vier im Quadrat angeordneten
Gewindebuchen 176 so geneigt werden, dass das Schleifwerkzeug 130 während der
Bearbeitung nicht über
den gesamten Umfang im Bearbeitungseingriff mit der Werkstückoberfläche steht.
Die Neigung der Schleifspindel wird relativ zur Exzenterscheibe 170 eingestellt,
die über
ein Radial-Axial-Lager 171 von dem senkrecht verfahrbaren
Schlitten aufgenommen wird.
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Die
Vertikalbewegung des Vertikalschlittens dient gleichzeitig der Zustellung
zur Werkstückoberfläche, um
den gewünschten
Abtrag an der Werkstückoberfläche zu erzielen.
Der Vertikalschlitten ist auf einen horizontal verfahrbaren Schlitten
montiert, mit dem das Werkstück
in Horizontalrichtung der Länge
nach überfahren
werden kann.
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Es
kann entweder ein festgelegtes Aufmaß abgetragen werden (Konstantabtrag),
oder die Oberfläche
wird auf ein bestimmtes Maß geschliffen.
Eine mögliche
Aufteilung des zu erzielenden Gesamtabtrags kann die Operationen
Schruppen, Schlichten und Ausfeuern umfassen. In der Regel ist der
Anteil an der Gesamtzustellung beim Schruppen größer als beim nachfolgenden
Schlichten. Beim Ausfeuern wird ohne Zustellung geschliffen, um
Verspannungen im Werkstück
und der Schleifmaschine auszugleichen und eine gute Ebenheit zu
erzeugen.
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Ein
besonderer Vorteil hinsichtlich der erzielbaren Oberflächenqualität ergibt
sich durch die dank der Konstruktion der Flachschleifmaschine möglichen
Bewegung des Schleifwerkzeugs über
die Werkstückoberfläche. Diese
werden beispielhaft anhand von 4 näher erläutert. Das
durch die ringförmige
Stirnseite des Schleiftopfes symbolisiertes Schleifwerkzeug 130 wird
mit hoher Drehzahl angetrieben, wobei typische Drehzahlen beispielsweise im
Bereich zwischen ca. 1000 und ca. 2000 U/min liegen können. Diese
schnelle Rotationsbewegung der Schleifspindel erzeugt den wesentlichen
Beitrag zu der für
den Materialabtrag maßgeblichen
Schnittgeschwindigkeit, mit der die Schleifscheibe in das Material
des Werkstücks
eingreift. Dieser schnellen Rotation des Schleifwerkzeugs wird eine
im Vergleich dazu wesentlich langsamere Schwenkbewegung oder Drehbewegung
der gesamten Schleifspindel um eine exzentrisch zur Spindelachse 124 liegende
Achse (Schleifeinheitsachse 128 der Schleifeinheit) überlagert.
Hierzu ist die Schleifspindel nochmals exzentrisch gelagert und
wird mit Hilfe des Exzenterantriebes 179 auf kreisbogenförmigen Bewegungsbahnen
um die Achse 128 der Exzenterbewegung (die durch die Schleifeinheitsachse
der Schleifeinheit gebildet wird) bewegt.
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Im
Beispielsfall von 4 rotiert die gesamte Schleifspindel
bei der Exzenterbewegung mehrfach vollständig ohne Drehrichtungsumkehr
um die der Schleifeinheitsachse entsprechenden Exzenterachse 128.
Bei anderen Ausführungsformen
ist eine pendelnde Rotation, d. h. eine Rotation mit Drehrichtungsumkehr
und entsprechender Schwingungsbreite vorgesehen.
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Durch
die exzentrische Rotation der Schleifspindel um die Schleifeinheitsachse
können
in Verbindung mit einer weiteren Vorschubbewegung Vorschubbahnen
der Schleifspindel erzeugt werden, die sich aus aneinander anschließenden,
bogenförmigen Bahnabschnitten
zusammensetzen, wobei die Bogenabschnitte unterschiedliche Ausrichtung und/oder
unterschiedliche Krümmungen
und/oder unterschiedliche Krümmungsänderung
entlang des Bahnabschnittes haben.
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Bei
der Ausführungsform
ist der vollen Rotation der Schleifspindelachse um die Schleifeinheitsachse
eine geradlinig lineare Vorschubbewegung (Pfeil V) der gesamten
Schleifeinheit in Längsrichtung
des eingespannten Werkstücks übererlagert, wobei
diese Linearbewegung durch den Horizontalantrieb 145 bewirkt
wird, der den Horizontalschlitten entlang der horizontalen Führungsschiene 142 verschiebt.
Dies führt
zu der in 4 gezeigten, zykloidartigen
Vorschubbahn 195, welche diejenige Bahn repräsentiert,
mit der die Schleifspindel, und damit das gesamte rotierende Schleifwerkzeug,
in kontinuierlich wechselnden Richtungen über die Werkstückoberfläche bewegt
wird. Auf diese Weise wird jeder Flächenbereich der zu schleifenden
Werkstückoberfläche mehrfach
aus unterschiedlichen Richtungen überfahren, wodurch besonders
ebene Werkstückoberflächen erzeugbar
sind. Außerdem
ergibt sich ein Oberflächenbild
mit sich kreuzenden Riefen, welches für die angestrebte Dichtfunktion
der Oberfläche
vorteilhaft ist.
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Normalerweise
wird die Werkstückoberfläche vom
Werkzeug vollständig überfahren,
bis das Schleifwerkzeug wieder frei wird, also außer Arbeitseingriff
mit der Werkstückoberfläche gerät. Dann
erfolgt ein Zustellvorgang der Schleifspindel in Richtung der Werkstückoberfläche mit
Hilfe des Vertikalantriebs. Anschließend kann die Werkstückoberfläche erneut
in entgegengesetzter Richtung überfahren
werden. Der Schleifprozess kann durch einen einzigen oder beliebig
viele Überläufe des
Schleifwerkzeugs über
das Werkstück
realisiert werden.
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Prinzipiell
sind beliebige Werte und Verhältnisse
der Drehzahlen der Exzenterbewegung zur Relativbewegung zwischen
Werkzeug und Werkstück möglich und
können
passend zur Aufgabenstellung gewählt
werden. Ebenso kann der Durchmesser des Schleifwerkzeugs den Abmessungen
der zu bearbeitenden Oberfläche
angepasst werden. Gleiches gilt für das Ausmaß der Exzentrizität (Exzentrizitätsabstand
EX zwischen Schleifspindelachse und Schleigeinheitsachse) bezogen
auf die Abmessungen der zu bearbeitenden Oberfläche.
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Im
Rahmen der Erfindung sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Flachschleifmaschinen möglich. Hierzu
zeigt 5 beispielhaft eine Flachschleifmaschine 500,
die seitlich an eine Transferstrecke 502 angeordnet werden
kann. Sie umfasst zwei Einfahrtische 504, 505 mit
jeweils einem Paar von Führungsschienen,
die jeweils einen horizontal verschiebbaren Schlitten 506, 507 tragen,
auf dem jeweils ein Werkstück
befestigt ist. Die Arbeitsbreite der Horizontalverschiebung der Schleifeinheit
ist so bemessen, dass durch eine einzige Schleifeinheit 180 die
beiden den Einfahrtischen zugeordneten Bearbeitungsposition der
Werkstücke
erreichbar sind. Während
der Schleifbearbeitung eines Werkstücks in einer Bearbeitungsposition
kann ein zweites Werkstück
entweder in eine zweite Bearbeitungsposition gebracht oder nach
Abschluss einer Schleifbearbeitung aus der Bearbeitungsposition
entfernt werden.
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Die
Flachschleifmaschine 600 in 6 ist in Portalkonstruktion
ausgeführt,
wobei die Schleifeinheit 180 an einer tischförmigen Grundkonstruktion befestigt
ist, die sich mit vier Füßen auf
dem Maschinenbett der Vorrichtung beidseitig der Durchlaufbahn der
Werkstücke
abstützt.
Durch den weitgehend symmetrischen Aufbau ist eine besonders hohe
Präzision
bei der Bearbeitung erzielbar.