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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. Anwendungsgebiet ist die Erzeugung von weitestgehend ebenen Werkstückoberflächen mit definierter Oberflächenmikrostruktur bei metallischen Werkstücken für den Motorenbau, wobei das Werkstück ein Zylinderkurbelgehäuse und die durch Schleifen bearbeitete Werkstückoberfläche die Anlagefläche für eine Zylinderkopfdichtung ist.
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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, werden 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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Das Gebrauchsmuster
DE 91 05 865 U1 betrifft eine Maschine zum Planschleifen der Dichtflächen an Zylinderköpfen und Motorblöcken von Verbrennungsmotoren. Die Maschine hat ein zum Werkstück zustellbares Schleifwerkzeug, das durch einen Motor in eine Umlaufbewegung um seine Drehachse versetzt werden kann und dessen Schleifbereich größer ist als die Breite der zu schleifenden Werkstückoberfläche, wodurch bei einer in Längsrichtung des Maschinentisches verlaufenden Vorschubbewegung die Werkstückoberfläche über die gesamte Breite mittels Schleifen bearbeitet werden kann. Das Schleifwerkzeug ist als Schleifwalze ausgebildet, auf deren Umfangsfläche ein Schleifband befestigt ist. Die Schleifwalze ist mit quer zum Maschinentisch liegender Drehachse vertikal verschiebbar in ein Gestell gelagert, welches den Maschinentisch portalartig überspannt.
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Die europäische Patentanmeldung mit Veröffentlichungsnummer
EP 0 919 331 A1 zeigt eine Vorrichtung zur mechanischen abrasiven oder polierenden Bearbeitung der Oberflächen und/oder Kanten und/oder Stirnflächen von plattenförmigen Werkstücken, welche mindestens ein rotierend angetriebenes Bearbeitungswerkzeug aufweist, welches um eine ebenfalls rotierend angetriebene Haupt-Drehachse in einem einstellbaren bzw. definierten Abstand angeordnet ist. Vorzugsweise sind mehrere, entlang ihrer Achsen in der Höhe verstellbare Werkzeuge um die Haupt-Drehachse angeordnet. Durch die Anordnung ist es möglich, verhältnismäßig große Bearbeitungsbreiten bei relativ geringem Vorrichtungsgewicht bei hoher Durchsatzleistung zu bearbeiten. Ein Ausführungsbeispiel ist zum Entgraten und Polieren von gestanzten oder geschnittenen Blechen vorgesehen.
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Die Offenlegungsschrift
DE 27 40 691 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schleifen oder Polieren von Steinflächen. Dabei kommt ein rotierendes Stirnwerkzeug zum Einsatz, wobei zwischen der Achse des rotierenden Stirnwerkzeugs und der zu bearbeiteten Steinoberfläche eine lineare Vorschubbewebung stattfindet und dieser linearen Vorschubbewegung eine kreisende Bewegung überlagert ist. Bei einer Ausführungsform entsteht durch das Zusammenwirken der Bewegung des zu bearbeiteten Steins auf einem Transportband mit der Bewegung des Schleifkopfs ein zickzackförmiger Weg der Achse des Schleifkopfs auf dem Stein. Dieser linearen Vorschubbewegung wird noch eine kreisende Bewegung überlagert, indem die Enden einer den Schleifkopf tragenden Brücke durch synchronisierte Exzentertriebe angetrieben sind.
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Die
DE 699 09 995 T2 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen der Ausführung eines Planarisierprozesses zum Beseitigen von Material von einem in einem Substrathalter befindlichen Substrat für ein mikroelektronisches Bauelement im Zuge der Fertigung des mikroelektronischen Bauelements umfassend: Messen der Höhe einer Rückseite des Substrathalters, wenn das in dem Substrathalter befindliche Substrat mit einem Planarisiermedium in Eingriff tritt, indem ein erster Ist-Abstand zwischen der Rückseite des Subtrathalters und einer bekannten Höhe in einem Stadium des Planarisierzyklus gemessen wird; und Beurteilen, ob ein Ausführungskennwert des Planarisierprozesses innerhalb eines Akzeptierbarkeitsbereichs liegt, basierend auf der gemessenen Höhe des Substrathalters.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Flachschleifverfahren und eine zur Durchführung des Flachschleifverfahrens geeignete Flachschleifmaschine bereitzustellen, die zum Schleifen von Anlageflächen für Zylinderkopfdichtungen an Zylinderkurbelgehäusen geeignet sind und eine wirtschaftliche Integration in den Transfer einer Fertigungslinie ermöglichen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Flachschleifverfahren und eine zu 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. Dabei ist das Werkstück ein Zylinderkurbelgehäuse und die durch Schleifen bearbeitete Werkstückoberfläche ist die Anlagefläche für eine Zylinderkopfdichtung.
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Bei der beanspruchten Erfindung 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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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, beispielsweise 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 Einrichtungen zur Bewegung des Werkstücks während der Schleifbearbeitung vorgesehen sein müssen.
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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 Schleifeinheit 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.
- 1 ist eine schrägperspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Flachschleifmaschine, die in eine Transferstraße integriert ist;
- 2 ist eine schematische Schnittansicht durch die in 1 gezeigte Schleifeinheit und ein damit bearbeitetes Werkstück;
- 3 zeigt eine schematische Ansicht der Schleifeinheit von 2 im Wesentlichen parallel zur Schleifspindelachse;
- 4 ist eine schematische Darstellung der Werkzeugbewegungen bei einer Ausführungsform eines Flachsschleifverfahrens gemäß der Erfindung;
- 5 zeigt eine Ausführungsform einer Flachschleifmaschine mit zwei Einfahrtischen; und
- 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 Schleifeinheit 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 zwischen 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 au-ßen 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 Brennraumfläche 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 Brennraumfläche 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.
