DE102008035313B3

DE102008035313B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Feinbearbeitung von Umfangsflächen rotationssymmetrischer Werkstückabschnitte von Werkstücken aus Grauguss

Info

Publication number: DE102008035313B3
Application number: DE200810035313
Authority: DE
Inventors: Karl Günther Dr. Roth; Uwe Kästner; Marcel Bosch
Original assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-07-24

Abstract

Bei einem Verfahren zur Feinbearbeitung von Umfangsflächen rotationssymmetrischer Werkstückabschnitte von Werkstücken aus Grauguss, insbesondere zur Feinbearbeitung von Hublagerflächen und Hauptlagerflächen an Kurbelwellen, werden die Umfangsflächen in mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstufen bearbeitet. In mindestens einer der Bearbeitungsstufen erfolgt eine Hochdruckstrahlbehandlung der Umfangsflächen, bei der die Umfangsflächen unter Hochdruck mit einer Flüssigkeit bestrahlt werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Feinbearbeitung von Umfangsflächen rotationssymmetrischer Werkstückabschnitte von Werkstücken aus Grauguss, insbesondere zur Feinbearbeitung von Hublagerflächen und Hauptlagerflächen an Kurbelwellen, bei denen die Umfangsflächen in mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstufen bearbeitet werden, sowie auf einen zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Beschreibung des Standes der Technik
Das Finishen ist ein Feinbearbeitungsverfahren, mit dem die Umfangsflächen von im Wesentlichen rotationssymmetrischen Werkstückabschnitten an Werkstücken wie Kurbelwellen, Nockenwellen, Getriebe wellen und anderen Bauteilen für Kraft- und Arbeitsmaschinen zur Erzeugung einer gewünschten Oberflächenfeinstruktur bearbeitet werden. Beim Finishen wird ein mit körnigem Schneidmittel besetztes Bearbeitungswerkzeug mit Hilfe einer Andrückeinrichtung an die zu bearbeitende Umfangsfläche angedrückt. Zur Erzeugung der für den Materialabtrag erforderlichen Schnittgeschwindigkeit wird bei vielen Verfahrensvarianten das Werkstück um seine Werkstückachse gedreht und gleichzeitig wird eine parallel zur Werkstückachse oszillierende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem an der Umfangsfläche anliegenden Bearbeitungswerkzeug erzeugt. Durch die Kombination der Rotationsbewegung des Werkstückes und der überlagerten Oszillationsbewegung kann ein sog. Kreuzschliffmuster erzeugt werden, wodurch die bearbeiteten Werkstückumfangsflächen z. B. als Laufflächen für Gleitlager oder Wälzlager oder dergleichen besonders geeignet sind.
Bei den Werkstücken kann es sich beispielsweise um Nockenwellen oder Kurbelwellen handeln. Derartige wellenförmige Werkstücke weisen in axialem Abstand zueinander rotationssymmetrische Werkstückabschnitte vor, die als Lagerstellen dienen. Die sog. Hauptlager oder Mittellager sind koaxial zur Werkstückachse angeordnet und dienen dazu, die Welle für ihre Drehbewegung zu lagern. Neben einem Hauptlager befinden sich ein oder zwei sog. Hublager, deren Achsen parallel versetzt exzentrisch zur Werkstückachse liegen. An den Hublagern greifen andere Teile einer Maschine, beispielsweise Pleuel von Kolben einer Brennkraftmaschine oder einer Pumpe oder eines Verdichters an.
In zahlreichen Einsatzgebieten werden heutzutage Kurbelwellen aus Gusseisen eingesetzt. Werkstücke aus Gusseisen haben aufgrund ihres hohen Kohlenstoffanteils Graphiteinschlüsse, die im gesamten Volumen der Werkstücke verteilt sind. Abhängig von der Form der Graphiteinschlüsse unterscheidet man heute vor allem zwischen Gusseisen mit Lamellengraphit (Lamellargraphit, GJL), Gusseisen mit Kugelgraphit (auch Sphäroguss genannt, GJS) und Vermiculargraphit-Guss, bei dem die Graphiteinschlüsse weder in Lamellenform, noch in Kugelform, sondern in Form von Vermikeln, also in Form von Würmchen vorliegen. Gusseisen zeichnet sich durch gute Festigkeit, große Freiheit bei der Gestaltung, gute Dämpfungswerte, niedrige Herstellungskosten und auch gute Gleiteigenschaften aus, insbesondere bei schwierig herzustellenden Geometrien. Unter anderem tragen diese Gründe dazu bei, dass Kurbelwellen, und auch andere Motorenteile, nach wie vor aus Gusseisen gefertigt werden. Insbesondere die guten Gleiteigenschaften sind bei Kurbelwellen und Motorblöcken ein wichtiger Grund für den Einsatz von Gusseisen.
Gerade beim Einsatz in hochbeanspruchten Bauteilen kann sich aber ein Nebeneffekt des Gusseisens nachteilig bemerkbar machen. Die Graphiteinschlüsse sind in der Regel im Werkstoff relativ gleichmäßig verteilt. Ihr Anteil am Gesamtvolumen kann so hoch sein, dass praktisch in jeder Schicht viele Einschlüsse vorhanden sind. Für die materialabtragende Werkstückbearbeitung bedeutet dies, dass praktisch an jeder Oberfläche einige Einschlüsse vorhanden sind, die gerade nur angeschnitten werden.
Insbesondere bei der Endbearbeitung von Außenflächen mittels Finishen kann es vorkommen, dass beim Anschneiden von Einschlüssen die letzten Materialschichten nicht weggeschnitten werden, sondern sich nach innen biegen und als sogenannte „Blechdeckel” im Hohlraum der Graphiteinschlüsse verbleiben. Wird weiter Material abgetragen, so werden diese Blechdeckel wieder entfernt, gleichzeitig werden jedoch an anderer Stelle wieder Blechdeckel erzeugt. Je nach Zähigkeit des Grundwerkstoffes und den Bearbeitungsparametern kann es auch dazu kommen, dass Poren im Gefüge regelrecht zugeschmiert werden, d. h. durch Blechdeckel wieder vollständig geschlossen werden. Beobachtungen der Erfinder haben gezeigt, dass diese Art von angeschnittenen und/oder nach innen gedrückten, dünnen Materialplättchen bei vielen durch Finishbearbeitung bearbeiteten Gussoberflächen vorkommen können.
Es hat sich gezeigt, dass bei der Finishbearbeitung die Ausbildung von Blechdeckeln von den Prozessparametern abhängt. Je nach Werkstoff, Schneidstoff und eventuell Schmierstoff besteht eine unterschiedliche Neigung zur Deckelbildung, wobei unter bestimmten, bisher nicht vorhersehbaren Bearbeitungsbedingungen die Blechdeckel manchmal auch teilweise entfernt werden können.
Bei vielen Bauteilen aus Grauguss spielt die Ausbildung von Blechdeckeln eine untergeordnete Rolle. Als problematisch wurde dagegen die Bildung von Blechdeckeln bei der Bearbeitung von Kolbenlaufbahnen in Zylinderblöcken aus Gusseisen angesehen.
In der DE 42 17 530 C2 wird angegeben, dass bei der Bearbeitung von Zylinderinnenflächen durch Honen mit Diamant oder CBN-Honleisten in der obersten Werkstoffschicht gewisse Verschuppungen entstehen können, die auch als „Blechmantel” bezeichnet werden. Als Nachteil wurde erkannt, dass sich die Zungen der Schuppen während des Laufens des Motors ablösen und dadurch Kolbenfresser oder brandige Kolbenringe verursachen können. Zur Vermeidung dieser Probleme wird ein Verfahren zum Bearbeiten von Kolbenlaufbahnen aus Gusseisen vorgeschlagen, bei denen die zu bearbeitende Oberfläche zunächst fertig gehont und daran anschließend mit Hilfe eines Laserstrahls nachbearbeitet wird, der auch die zu bearbeitende Oberfläche fokussiert wird, wobei beim Honen verschuppte Graphitlamellen geöffnet werden.
In der DE 33 00 938 A1 wird für den gleichen Zweck vorgeschlagen, nach der Vorbearbeitung der Zylinderinnenflächen eine funkenerosive Behandlung durchzuführen, auf die eine Feinhonbearbeitung folgt. Mit Hilfe der Funkenerosion lassen sich Vertiefungen schaffen, ohne dass eine Verblechung der Oberfläche auftritt. Die anschließende kurzzeitige Feinhonbearbeitung selbst führt nicht zu einer Bildung neuer Blechdeckel.
Das europäische Patent EP 0 169 984 B1 schlägt zum Herstellen der Laufflächen von aus Grauguss bestehenden Zylindern einer Hubkolbenmaschine ein Verfahren vor, bei dem das Oberflächenmaterial zunächst elektro-chemisch abgetragen wird, die Laufflächen danach mit einem Flüssigkeitsstrahl eines Druckes von mehr als 400 bar beaufschlagt werden und anschließend die Laufflächen einem mechanischen Reibplattieren oder Glätten ohne Verschließen der Oberflächen nahen Graphitnester unterzogen werden.
In der DE 37 19 796 C2 wird ein Verfahren zum Bearbeiten von innenzylindrischen Werkstückoberflächen beschrieben, bei denen die Innenfläche gehont und in zwei Bearbeitungsvorgängen nachbearbeitet wird, wobei die Oberfläche zur Beseitigung des beim Honen an den Honspuren entstandenen Blechmantels durch Hochdruckstrahlen behandelt wird und während der Nachbearbeitung das den Blechmantel bildende Material durch kombiniertes und mindestens zeitweise gleichzeitiges Hochdruckstrahlen und Bürsten abgetragen wird. Durch die kombinierte Hochdruckstrahl- und Bürstenbehandlung soll das die Überlappung bildenden Material zunächst aufgerichtet und unmittelbar anschließend abgetragen werden.
In der DE 32 10 495 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Lagerflächen beschrieben, das insbesondere bei Innenflächen von Zylinderlaufbüchsen für Verbrennungs-Kraftmaschinen einsetzbar ist. Bei dem Verfahren werden zunächst die Lagerflächen auf das gewünschte Maß und die geometrische Form durch Honen feinbearbeitet. Danach werden die so feinbearbeiteten Lagerflächen mit einem festen Strahlmittel bestrahlt, wobei als Strahlmittel vorzugsweise lose Körner und/oder Glasperlen und/oder Metallkugeln verwendet werden. Durch die Strahlbehandlung werden an der Oberfläche Teilchen freigelegt, die die Gleiteigenschaften und/oder die Festigkeit der Lauffläche erheblich verbessern sollen Die Strahlmittelzufuhr kann mittels Druckluft trocken oder z. B. mit Wasser nass erfolgen. Bei der Strahlbehandlung wird abrasives Strahlmittel unter Hochdruck aufgebracht, um an der bestrahlten Werkstückoberfläche einen Materialabtrag zu erzeugen, der auch die dort vorhandenen Blechdeckel abtragen soll.
Die DE 195 06 568 A1 beschreibt ein Oberflächen-Behandlungsverfahren für Zylinderlaufflächen, die aus einer Aluminium-Legierung mit eingebetteten Silizium-Partikeln bestehen. Bei derartigen Werkstoffen soll die Aluminium-Legierungsmatrix durch Materialabtrag leicht zurückgesetzt werden. Es wird vorgeschlagen, für diesen Materialabtrag eine Hochdruck-Wasserstrahlbehandlung durchzuführen, was gegenüber dem bekannten Ätzen oder Bürsthonen Vorteile besitzen soll. insbesondere sei es möglich, einzelne Bereiche der Zylinderlauffläche unterschiedlich intensiv zu bestrahlen. Bei den genannten Werkstoffen findet keine Blechmantelbildung statt.
AUFGABE UND LÖSUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung von äußeren Umfangsflächen rotationssymmetrische Werkstückabschnitte an Kurbelwellen und anderen wellenförmigen Werkstücken aus Grauguss bereitzustellen, mit denen die Umfangsflächen so feinbearbeitet werden können, dass sie dauerhaft störungsfrei als Gleitlagerflächen für Drehlager einsetzbar sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 16 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Feinbearbeitung von Umfangsflächen rotationssymmetrischer Werkstückabschnitte an Werkstücken aus Grauguss wird in mindestens einer Bearbeitungsstufe eines mehrstufigen Bearbeitungsprozesses eine Hochdruckstrahlbehandlung der Umfangsflächen durchgeführt, bei der die Umfangsflächen unter Hochdruck mit einer Flüssigkeit bestrahlt werden. Durch die Hochdruckstrahlbehandlung werden Blechdeckel mit einer relativ geringen Anbindung an das Werkstück vom Werkstück losgelöst und weggespült. Blechdeckel mit einer etwas besseren Anbindung werden hinterspült und angehoben bzw. aufgestellt. Dadurch werden sie für eine mechanische Entfernung zugänglich. Auf diese Weise können sowohl die nur leicht am Werkstück angebunden, als auch relativ fest am Werkstück fixierte Blechdeckel durch eine Kombination von Hochdruckstrahlbehandlung und mechanischer, materialabtragender Feinbearbeitung entfernt werden. Am fertigen Werkstück befinden sich nach Abschluss der Feinbearbeitung praktisch keine Blechdeckel mehr, die sich bei bestimmungsgemäßer Nutzung des Werkstücks noch ablösen und zu Problemen führen könnten. Gerade bei Gleitflächen wie bei Kurbelwellenlagerflächen können abgelöste Blechdeckel zu Beschädigungen der Lager und im Extremfall sogar zu Fressern führen. Diese Probleme werden mit erfindungsgemäß bearbeiteten Werkstücken vermieden, so dass sie dauerhaft störungsfrei als Gleitlagerflächen für Drehlager, z. B. in einem Brennkraftmotor, dienen können.
Bei einer Verfahrensvariante wird die Hochdruckstrahlbehandlung mindestens phasenweise gleichzeitig mit einer Finishbearbeitung der Umfangsflächen durchgeführt. Dadurch können entstehende und zum Losreißen neigende Blechdeckel bei nachlassender Bindung zum Werkstück unmittelbar beseitigt werden und somit den nachfolgenden Bearbeitungsprozess nicht mehr beeinträchtigen. Es ist auch möglich, die Hochdruckstrahlbehandlung zeitversetzt zu einer mechanischen Finishbearbeitung durchzuführen.
Umfangsreiche Versuchsreihen der Erfinder haben gezeigt, dass es in der Regel günstig ist, wenn die bei der Hochdruckstrahlbehandlung aufgestrahlte Flüssigkeit mindestens phasenweise, vorzugsweise während eines überwiegenden Teils der Hochdruckstrahlbehandlung, einen Strahldruck zwischen ca. 50 bar und ca. 200 bar hat. Ebenfalls mögliche höherer Drücke führen zwar normalerweise ebenfalls zu einem sehr guten Bearbeitungsergebnis, zeigen aber nur in wenigen Fällen signifikante Verbesserungen der Werkstückqualität und führen aber anderseits zu erheblich mehr Sprühnebel in der Maschine und damit eventuell auch zu Abdichtproblemen. Im allgemeinen ist es günstig, den für einen bestimmten Werkstücktyp optimalen Strahldruckbereich experimentell zu ermitteln und entsprechend einzustellen. Ein Hochdruckerzeuger mit vorzugsweise stufenlos einstellbarem Arbeitsdruck ist daher in der Regel günstig.
Die Untersuchungen der Erfinder haben weiterhin gezeigt, dass es in der Regel günstig ist, wenn die Flüssigkeit aus einem Abstand von weniger als 10 mm, insbesondere von weniger als 5 mm, auf die Umfangsfläche aufgestrahlt wird. Diese relativ kleinen Abstände haben sich als günstig erwiesen, um möglichst viel von der für Blechdeckelentfernung vorgesehenen Energie auch tatsächlich auf die Oberfläche einwirken zu lassen. In der Regel sind Arbeitsabständen zwischen ca. 1 mm und ca. 4 bis 5 mm günstig.
Eine im Wesentlichen senkrechte Aufstrahlung auf die Werkstückoberfläche ist normalerweise günstig, um einen optimalen Strahlenergieeintrag zu erzielen. Abweichungen der mittleren Aufstrahlrichtung von einer Aufstrahlung in Radialrichtung sollten in der Regel bei wenigen Grad liegen, beispielsweise bei maximal 10° bis 20°.
Von Ausnahmefällen abgesehen ist es in der Regel günstig, wenn die zu bestrahlende Umfangsfläche im Wesentlichen lückenlos mit mindestens einem Hochdruckstrahl bestrahlt wird, um eine zuverlässige Blechdeckelentfernung im gesamten kritischen Bereich einer zu bearbeitenden Umfangsfläche sicherzustellen. Hierzu können eine oder mehrere Düsenreihen mit jeweils mehreren Einzeldüsen vorgesehen sein, deren Bestrahlungsbereiche eine gewünschte Bearbeitungsbreite im Wesentlichen lückenlos abdecken. Es können beispielsweise zwei in Bearbeitungsrichtung hintereinander angeordnete Reihen mit jeweils auf Lücke sitzenden einzelnen Hochdrückdüsen vorgesehen sein.
Besonders gleichmäßige Bearbeitungsergebnisse haben sich bei einer Verfahrensvariante gezeigt, bei der mit einer Hochdruckstrahldüse ein Flachstrahl erzeugt wird, der eine Breite hat, die im Wesentlichen der Breite der Umfangsfläche eines zu bestrahlenden Werkstückabschnittes entspricht. Solche Lösungen sind mit vertretbarem konstruktivem Aufwand realisierbar und im Betrieb sehr robust.
Eine Vorrichtung zur Finishbearbeitung hat in der Regel ein oder mehrere Andrückeinrichtungen zum Andrücken von Schneidmittel an die Umfangsfläche des zu bearbeitenden Werkstückabschnittes. Eine zur Bestrahlung des Werkstückabschnittes vorgesehene Hochdruckstrahldüse kann an einer von der Andrückeinrichtung gesonderten Halteeinrichtung befestigt sein. Es hat sich jedoch sowohl in konstruktiver Hinsicht, als auch im Hinblick auf die Qualität des Bearbeitungsergebnisses in manchen Fällen als günstig herausgestellt, wenn eine die Hochdruckstrahlbehandlung umfassende Bearbeitungsstufe mit einem Kombinationswerkzeug durchgeführt wird, welches eine Andrückeinrichtung zum Andrücken von Schneidmittel an die Umfangsfläche und mindestens eine auf die Umfangsfläche ausrichtbare Hochdruckstrahldüse aufweist. Hierdurch ist eine besonders genaue und stabile räumliche Zuordnung zwischen Hochdruckstrahldüse und dem durch die Andrückeinrichtung angedrückten Schneidmittel bzw. der Werkstückoberfläche möglich. Außerdem können bei einem Werkzeugwechsel die Andrückeinrichtung und die Hochdruckstrahldüse gemeinsam ausgetauscht werden, beispielsweise um die Bearbeitungsvorrichtung auf Werkstücke mit anderer Geometrie und damit gegebenenfalls anderer Bearbeitungsbreite umzurüsten.
Die Hochdruckstrahlbehandlung kann der abschließende Verfahrensschritt eines mehrstufigen Bearbeitungsverfahrens sein. Der abschließende Verfahrensschritt kann auch eine Kombination aus Finishen und gleichzeitiger Hochdruckbestrahlung sein. Es hat sich jedoch für viele Anwendungsfälle als günstig herausgestellt, wenn nach der die Hochdruckstrahlbehandlung umfassenden Bearbeitungsstufe (mit oder ohne gleichzeitige mechanische Bearbeitung) noch eine Nachfinishbearbeitung ohne Hochdruckstrahlbehandlung durchgeführt wird. Es ist z. B. möglich, dass eine während der Hochdruckstrahlbehandlung durchgeführte Finishbearbeitung nach Abschalten der Hochdruckstrahlbehandlung ohne Unterbrechung noch mit dem gleichen Schneidmittel fortgeführt wird. Es ist auch möglich, nach Abschluss der Hochdruckstrahlbehandlung die Nachfinishbearbeitung mit einem anderen Finishwerkzeug durchzuführen als die vorgelagerten Feinbearbeitungsstufen, beispielsweise mit feinerer Körnung.
Besonders gute Gleitlagereigenschaften der fertig bearbeiteten Werkstücke ergeben sich in vielen Fällen dann, wenn eine nach Abschluss der Hochdruckstrahlbehandlung durchgeführte Nachfinishbearbeitung mit Schneidmittel durchgeführt wird, das eine mittlere Korngröße von weniger als 25 μm hat, wobei die mittlere Korngröße vorzugsweise zwischen ca. 5 μm bis 10 μm und ca. 20 μm liegen kann. Unter diesen Bedingungen kann in einem kontrollierten Abtragprozess eine definierte Oberflächenstruktur mit Kreuzriefen und relativ geringer Rauheit bei gleichzeitig definiertem Abtrag erzielt werden.
Bei der nach Abschluss der Hochdruckstrahlbehandlung durchgeführten Nachfinishbearbeitung wird in der Regel ein maximaler Materialabtrag von weniger als 3 μm (bezogen auf den Durchmesser) erzeugt. Dadurch kann erreicht werden, dass die durch die vorgeschaltete Hochdruckstrahlbehandlung geöffneten Graphitnester durch die Nachfinishbearbeitung nicht vollständig abgetragen werden, sondern an der Oberfläche verbleiben, und dass gleichzeitig nur in geringem Umfang neue Graphitnester, gegebenenfalls unter Bildung von Blechdeckeln, angeschnitten werden. Ein geringer Materialabtrag ist von maximal ca. 2 μm oder maximal ca. 1 μm nach Abschluss der Hochdruckstrahlbehandlung kann günstig sein.
Das Bearbeitungsergebnis des gesamten Bearbeitungsprozesses kann durch die Ausgestaltung einer vor der Hochdruckstrahlbehandlung durchgeführten Vorfinishbearbeitung beeinflusst werden, da hierdurch unter anderem die Morphologie der mit Hilfe der Hochdruckstrahlbehandlung zu beseitigenden Blechdeckel und die Eigenschaften des die Blechdeckel und die Graphiteinschlüsse umschließenden Werkstückmateriales beeinflusst werden. Die Vorfinishbearbeitung kann insbesondere dazu ausgelegt sein, die in vorgelagerten Bearbeitungsstufen, beispielsweise bei einem Schleifprozess, erzeugte oberflächennahe Deformationszone weitgehend zu beseitigen. Hierfür kann es günstig sein, wenn vor der Hochdruckstrahlbehandlung eine Vorfinishbearbeitung mit Schneidmittel durchgeführt wird, welches eine mittlere Korngröße zwischen ca. 25 μm und ca. 40 μm hat. Weiterhin kann es günstig sein, wenn bei der der Hochdruckstrahlbehandlung unmittelbar vorgeschalteten Vorfinishbearbeitung ein Materialabtrag zwischen ca. 3 μm und ca. 10 μm erzeugt wird. Die späteren Bearbeitungsstufen bearbeiten dann bereits eine durch Finishen feinbearbeitete und damit relativ deformationsarme Oberfläche.
Die Vorfinishbearbeitung dient in der Regel überwiegend zur Beeinflussung der in nachgeschalteten Bearbeitungsstufen zu modifizierenden Oberflächenstruktur und nicht bzw. kaum zur Bestimmung bzw. Veränderung der Makroform des zu bearbeitenden Werkstückabschnittes. Die Makroform kann in weiter vorgelagerten Bearbeitungsstufen festgelegt werden, beispielsweise in einem dem Vorfinishen vorgelagerten Schleifprozess. Obwohl sich die Vorfinishbearbeitung unmittelbar, d. h. ohne zwischengeschalteten Bearbeitungsschritt an den Schleifprozess anschließen kann, ist es auch möglich, dass zwischen dem für die Formgebung maßgeblichen Schleifprozess und dem überwiegend auf die Oberflächenstruktur einwirkenden Vorfinishbearbeiten eine Hochdruckstrahlbehandlung stattfindet, um die beim Schleifen erzeugten Blechdeckel oder andere lose Materialteile zu entfernen. Es ist also auch möglich, dass der Gesamtbearbeitungsprozess mehrere zeitlich versetzt durchgeführte Phasen mit Hochdruckstrahlbehandlung umfasst.
Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Umfangsflächen im Wesentlichen rotationssymmetrischer Werkstückabschnitte an Werkstücken hat eine Vielzahl von Finisheinheiten, wobei jede der Finisheinheiten mindestens einen Finisharm mit einer Andrückeinrichtung zum Andrücken von Schneidmittel an die Umfangsfläche eines Werkstückabschnittes hat. Vorzugsweise ist die Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken eingerichtet, die eine Werkstückachse und mehrere entlang der Werkstückachse versetzt angeordnete Werkstückabschnitte aufweisen, wie es beispielsweise bei Nocken- und Kurbelwellen der Fall ist. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein Hochdruckstrahlsystem mit einer Vielzahl von an einen Hochdruckerzeuger angeschlossenen Hochdruckstrahldüsen, wobei jeder der Finisheinheiten mindestens eine Hochdruckstrahldüse zugeordnet ist, die auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche ausgerichtet oder ausrichtbar ist.
Damit können z. B. alle Lagerflächen einer Kurbel- oder Nockenwelle gleichzeitig mit Hilfe des Verfahrens bearbeitet werden.
Vorzugsweise ist in mindestens eine Andrückeinrichtung mindestens eine Hochdruckstrahldüse derart integriert, dass während des Andrückens von Schneidmittel an die Umfangsfläche mindestens ein auf die Umfangsfläche gerichteter Hochdruckstrahl erzeugbar ist. Die Vorteile solcher Kombinationswerkzeuge sind oben bereits erläutert worden.
Um bei möglichst geringem Energieeinsatz für die Hochdruckstrahlbehandlung zuverlässig die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, sind kurze Arbeitsabstände zwischen der Hochdruckstrahldüse und der zu bearbeitenden Umfangsfläche in der Regel günstig. Hierzu kann vorgesehen sein, dass eine Andrückeinrichtung eine der zu bearbeitenden Umfangsfläche angepasste konkave Arbeitskontur definiert und eine Austrittsöffnung der Hochdruckstrahldüse in einen Abstand von weniger als 10 mm, insbesondere in einem Abstand von weniger als 5 mm von einer durch die Arbeitskontur definierten Kontur entfernt angeordnet ist. Ein Minimalabstand zur Kontur von. z. B. 0.5 mm bis 1 mm sollte nicht unterschritten werden, um Berührungskontakte zwischen der Hochdruckstrahldüse und der Umfangsfläche zu vermeiden.
Die Erfindung betrifft auch ein mit Hilfe des Verfahrens bzw. mit Hilfe der Vorrichtung erzeugbares oder erzeugtes Werkstück. Insbesondere kann es sich um eine Kurbelwelle aus Grauguss mit mehreren entlang einer Kurbelwellenachse versetzt angeordneten Werkstückabschnitten mit im wesentlichen rotationssymmetrischen Umfangsflächen zur Bildung von Haupt- oder Hublagern der Kurbelwelle handeln. Das Werkstück ist dadurch gekennzeichnet, dass an den Umfangsflächen eine Vielzahl von angeschnittenen Graphitnestern liegen, wobei mindestens 50% der angeschnittenen Graphitnester zur Oberfläche hin offen sind und keinen Blechdeckel aufweisen. Die Übergangsbereiche zwischen der Innenwand eines von Graphit befreiten Graphitnestes und der durch Finishen bearbeiteten Umfangsfläche können abgerundet bzw. entgratet sein. Das kann insbesondere durch eine der Hochdruckstrahlbehandlung nachgeschaltete Nachfinishbearbeitung ohne Hochdruckbestrahlung erreicht werden. Die Umfangsflächen können in den die Graphitnester umgebenden Bereichen eine relativ geringe Oberflächenrauhigkeit besitzen, die einer Rauhtiefe R_z von weniger als 1 μm entspricht, was nach der Faustregel R_Z ≈ (7 – 10)R_a etwa einer Mittenrauhtiefe R_a von weniger als 0.15 μm oder weniger als 0,1 μm entspricht. Solche Oberflächen haben nach den Untersuchungsergebnissen der Erfinder unter vielen Betriebsbedingungen hervorragende Gleitlagereigenschaften.
Die Erfindung kann beim Bandfinishen genauso genutzt werden wie beim Finishen mit Hilfe harter Finishwerkzeuge, z. B. beim bandlosen Finishen mittels Finishsteinen.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus 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 der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Teilansicht einer Finisheinheit mit zwei zangenartig gegeneinander verschwenkbaren Bearbeitungsarmen, die Andrückeinrichtungen tragen, welche Finishband an einen zylindrischen Werkstückabschnitt einer Kurbelwelle andrücken, sowie ein Hochdrucksystem mit einer Hochdruckstrahldüse;
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Hochdruckstrahldüse in Form einer Flachstrahldüse;
3 zeigt eine Ausführungsform eines Kombinationswerkzeuges, bei dem eine Hochdruckstrahldüse in eine Andrückeinrichtung für Finishband integriert ist;
4 zeigt eine Ausführungsform mit Andrückeinrichtungen, die sich direkt am Umfang des bearbeiteten Werkstückabschnittes abstützen, wobei in eine der Andrückeinrichtungen eine Hochdruckstrahldüse integriert ist;
5 zeigt einen Ausschnitt einer Ausführungsform mit einer einarmigen Finisheinheit, wobei eine Hochdruckstrahldüse unabhängig von einer Andrückeinrichtung am Druckarm der Finisheinheit befestigt ist;
6 zeigt ein lichtmikroskopisches Bild einer konvex-zylindrischen Werkstückoberfläche nach einer Vorfinishbehandlung mit teilweise zugeschmierten Graphiteinschlüssen; und
7 zeigt ein lichtmikroskopisches Bild einer konvex-zylindrischen Werkstückoberfläche nach einer Hochdruckstrahlbehandlung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In 1 ist schematisch ein Ausschnitt einer als Bandfinishmaschine ausgelegten Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Umfangsflächen im Wesentlichen zylindrischer Werkstückabschnitte an Werkstücken wie Kurbel- oder Nockenwellen gezeigt. Die Vorrichtung ist zur Bearbeitung eines Werkstückes 10 in Form einer Kurbelwelle eingerichtet. Das Werkstück wird von einer nicht gezeigten Dreheinrichtung um seine Hauptachse 11 (Werkstückachse) gedreht und gleichzeitig durch eine Oszillationseinrichtung in eine axial kurzhubig schwingende Bewegung mit Hüben in der Größenordnung einiger Millimeter versetzt. Die Dreheinrichtung kann beispielsweise einen Elektro-Getriebemotor haben, die Oszillationseinrichtung kann einen in Abhängigkeit von der Werkstückdrehung betätigten Kurvenantrieb umfassen. Die Dreheinrichtung und die Oszillationseinrichtung können beispielsweise am Abtriebsende der Kurbelwelle 10 angreifen. Die Oszillationseinrichtung kann auch einen von der Werkstückdrehung unabhängigen Antrieb, z. B. einen pneumatischen oder elektromechanischen Schwinger enthalten.
Die Bandfinishvorrichtung hat mehrere nebeneinander angeordnete Finisheinheiten, die an einem gemeinsamen Maschinengestell angeordnet sind. Die Einheiten sind jeweils sehr schmal, um gleichzeitig nebeneinander liegende Werkstückabschnitte zu bearbeiten. Die gezeigte Vorrichtung hat mehrere Finisheinheiten zur Bearbeitung von Hauptlagern und dazwischen liegende Finisheinheiten zur Bearbeitung von Pleuellagern der Kurbelwelle 10.
Die in 1 ausschnittsweise gezeigte Finisheinheit 15 in Form einer Bearbeitungszange ist dafür vorgesehen, die im Wesentlichen zylindrische Umfangsfläche 12 eines Werkstückabschnitts 13 zu bearbeiten, bei dem es sich hier um ein Hauptlager der Kurbelwelle 10 handelt. Bei entsprechender Aufnahme der Finisheinheit können auch die Hublager bearbeitet werden, wozu Finisheinheiten vorgesehen sind, die der Exzenterbewegung der Hublager folgen. Die Finisheinheit 15 hat zwei Bearbeitungsarme (Finisharme, Druckarme) 15A, 15B, die um nicht gezeigte, parallele Schwenklager derart schwenkbar gelagert sind, dass ihre freien Enden nach innen in Richtung auf das zu bearbeitende Werkstück bzw. nach außen vom Werkstück weg verschwenkbar sind. Die Bearbeitungsarme können hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch aufeinander zu oder voneinander weg bewegt werden. Im Beispielsfall sind die Bearbeitungsarme über einen (nicht dargestellten) hydraulischen Krafterzeuger miteinander verbunden, der es erlaubt, die Bearbeitungsarme mit einer vorbestimmten Kraft F (Pfeile) nach innen gegen das Werkstück zu drücken.
Eine nicht im Detail gezeigte Finishband-Fördereinrichtung stellt ein Finishband 20 bereit, das von einer nicht gezeigten Vorratsrolle in Richtung der Eintrittsseite der Finisheinheit abgezogen und nach Benutzung von der Austrittsseite der Finisheinheit in Austrittsrichtung 22 zu einer Aufwickelrolle für verbrauchtes Finishband geführt wird. Das Finishband 20 umfasst einen weitgehend inkompressiblen, dehnungsarmen Polyesterfilm, der an seiner dem Werkstück zuzuwendenden Vorderseite 21 mit körnigem Schneidmittel besetzt ist. Es sind jedoch auch andere Typen von Finishbändern verwendbar, beispielsweise Finishbänder mit Schneidmittel auf Gewebeunterlage oder Finishbänder mit Schneidmittel auf Papierunterlage. Alle üblichen Schneidmittel können verwendet werden, beispielsweise keramische Schneidkörner aus Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid, Diamantschneidkörner oder Schneidkörner aus kubischem Bornitrid odgl..
An jedem der Bearbeitungsarme 15A, 15B ist im Bereich des freien Endes auf der dem Werkstück zuzuwendenden Seite eine auswechselbare Andrückeinrichtung 50A, 50B befestigt, die jeweils dafür ausgelegt ist, das mit Schneidmittel besetzte Finishband 20 jeweils mittels zweier umfangsversetzt angeordneter, hartelastischer Andrückelemente an die Umfangsfläche 12 des Werkstücks so anzudrücken, dass das Finishband an die Umfangsfläche über einen Umschlingungswinkel von z. B. 120° bis 150° mit einer für den Bearbeitungsvorgang vorgesehenen Andrückkraft anzudrücken. Die beiden in 1 gezeigten Andrückeinrichtungen 50A, 50B sind im Wesentlichen identisch ausgebildet und spiegelsymmetrisch zueinander ausgerichtet, um diametral gegenüberliegende Bereiche des sich drehenden Werkstückabschnitts zu bearbeiten. Dabei ruht das Finishband während der Bearbeitung, so dass die für den Materialabtrag erforderliche Schnittgeschwindigkeit ausschließlich durch die Rotationsbewegung des Werkstücks in Kombination mit der überlagerten axialen Oszillationsbewegung erzeugt wird, um an der Werkstückoberfläche ein für die Eignung an Gleitlagerfläche vorteilhaftes Kreuzschliffmuster zu erzeugen.
Eine Besonderheit der Bandfinishvorrichtung besteht darin, dass sie ein Hochdrucksystem mit einer Vielzahl von Hochdruckstrahldüsen 60 umfasst, die über teilweise flexible, hochdruckfeste Leitungen 62 an einen Hochdruckerzeuger 65 in Form einer Flüssigkeits-Hochdruckpumpe angeschlossen sind. Im Beispielsfall hat jede der Finisheinheiten genau eine Hochdruckstrahldüse, deren Düsenstrahlöffnung so auf die Werkstückoberfläche 12 gerichtet ist, dass ein Flüssigkeits-Hochdruckstrahl im Wesentlichen senkrecht oder mit einem kleinen Neigungswinkel zur Radialrichtung auf die gerade bearbeitete Werkstückoberfläche auftrifft. Die Hochdruckstrahldüse 60 ist unabhängig von der Andrückeinrichtung 50A am Druckarm 15A befestigt, wodurch eine stabile Lagefixierung der Hochruckstrahldüse sichergestellt ist. Die Hochdruckpumpe 65 ist über ein Filtersystem mit einem Reservoir R für Kühlschmierstoff verbunden, der auch zur Schmierung und Kühlung sowie zur Späneabfuhr bei der spanabhebenden Finishbearbeitung verwendet wird. Auf diese Weise ist es mit geringem konstruktivem Aufwand möglich, den bei der Bearbeitung verwendeten Kühlschmierstoff auch zur Erzeugung der Hochdruckstrahlen zu verwenden, die vor allem der Entfernung von Blechdeckeln dienen.
2 zeigt beispielhaft eine Hochdruckstrahldüse 60 in Form einer Flachstrahldüse, deren dem Werkstück zugewandte Düsenöffnung 61 im Wesentlichen die gesamte Breite des schematisch angedeuteten, konvex-zylindrischen Werkstückabschnittes 13 abdeckt. Die Breite der Düsenöffnung kann z. B. zwischen dem 30fachen und dem 70fachen der in Umfangsrichtung des Werkstückes gemessenen Höhe der Düsenöffnung betragen, um einen scharfen, vorhangartigen Flachstrahl zu erzeugen, der bei Drehung des Werkstückabschnittes die gesamte Werkstückabschnittsbreite weitgehend gleichmäßig und lückenlos erfasst. Mit der Flachstrahldüse kann ein Flachstrahl erzeugt werden, der eine Breite hat, die im Wesentlichen der Arbeitsbreite einer zugeordneten Andrückeinrichtung entspricht. Für die meisten Verfahrensvarianten wird die Düsenöffnung der Hochdruckstrahldüse in einen sehr geringen Arbeitsabstand A von der zu bestrahlenden Werkstückoberfläche angeordnet, wobei der Arbeitsabstand A beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 5 mm und üblicherweise bei weniger als 10 mm liegen kann. Hierdurch kann auch mit moderaten Strahldrücken im Bereich zwischen ca. 50 bar und ca. 120 bar eine zur Deckelentfernung ausreichende Energie auf die Werkstückoberfläche aufgebracht werden, ohne dass besonderer Aufwand für das Auffangen und Ableiten ggf. entstehender Sprühnebel erforderlich ist.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform einer Finisheinheit 315 sind ebenfalls zwei Finisharme 315A, 315B vorgesehen, die jeweils eine im Wesentlichen C-förmige Andrückeinrichtung 350A, 350B tragen. Die C-förmigen Andrückeinrichtungen sind jeweils begrenzt beweglich in Kassetten 351A, 351B gelagert, die an den Andrückarmen 315A, 315B auswechselbar befestigt sind. Durch die z. B. mittels einer kardanischen Lagerung erreichbare begrenzte Beweglichkeit der Andrückeinrichtungen gegenüber der zugeordneten Kassette können sich die Andrückeinrichtungen gut an die jeweilige Werkstückgeometrie anpassen. Durch die lösbare Verbindung zwischen Kassette und Andrückarm ist eine besonders einfache Auswechslung der Andrückeinrichtung 350A, 350B gewährleistet. Die Führung des Finishbandes 20 kann ähnlich oder identisch zur Ausführungsform gemäß 1 ausgestaltet sein. Jede Andrückeinrichtung hat zwei in Umfangsrichtung versetzt angeordnete, starre Andrückelemente 352A, 352B, die an ihrer werkstückzugewandten Seite konkav-zylindrische Andrückflächen bilden, mit denen das Finishband 20 an die Werkstückoberfläche angedrückt wird. Die an dem links gezeigten Finisharm 315B angeordnete Andrückeinrichtung ist als Kombinationswerkzeug ausgestaltet. Das Kombinationswerkzeug umfasst die Andrückeinrichtung 350B und eine an der Andrückeinrichtung bzw. der Kassette befestigte Halterung 363 für eine in der Halterung zu befestigte Flachstrahldüse 360. Die Flachstrahldüse 360 kann innerhalb der Halterung 363 in Längsrichtung der Flachstrahldüse verschoben und an unterschiedlichen Axialpositionen fixiert werden, um den zwischen der Austrittsöffnung der Düse und der Werkstückoberfläche einzustellenden Arbeitsabstand stufenlos einzustellen. Bei dem Kombinationswerkzeug 355 ist somit die Flachstrahldüse in Bezug auf die als Aufnahme für die Andrückeinrichtung 350B dienende Kassette räumlich fixiert und kann gemeinsam mit der Kombination aus Kassette und Andrückeinrichtung ausgetauscht werden.
Bei der Ausführungsform einer Bandfinisheinheit 415 in 4 sind ebenfalls zwei zangenförmig an das Werkstück 10 heranführbare Finisharme 415A, 415B vorgesehen, die an ihren freien Enden jeweils eine Kassette 451A bzw. 451B tragen, in die jeweils eine Andrückeinrichtung 450A, 450B eingesetzt ist. Jede der Antriebseinrichtungen hat an ihrer C-förmigen Innenkontur zwei in einem Umfangswinkel von ca. 130° zueinander angeordnete Abstützeinrichtungen 455A, 455B, deren werkstückzugewandten Abstützflächen dazu vorgesehen sind, sich direkt, d. h. ohne Zwischenlage von Finishband an der zu bearbeitenden Werkstückoberflache 12 abzustützen. Das Material der Abstützelemente sollte zumindest im Bereich der Abstützfläche weicher als das Material des Werkstückes sein, um Verformungen der zu bearbeitenden Werkstückoberflache zu vermeiden. Die Abstützelemente können beispielsweise aus einem relativ hartem Elastomermaterial, wie Vulkollan^®, bestehen. Mittig zwischen den leistenförmigen Abstützelementen 455A, 455B ist in jeder Andrückeinrichtung jeweils ein Andrückelement 452A, 452B angeordnet, welches relativ zum Körper der Andrückeinrichtung 450A bzw. 450B linear beweglich geführt ist und bei angelegter Andrückeinrichtung im Wesentlichen in Radialrichtung der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche auf diese zu bzw. von dieser wegbewegt werden kann. Die werkstückzugewandten Andrückflächen der Andrückelemente 452A, 452B haben eine der Krümmung der Werkstückoberfläche angepasste konkavzylindrische Kontur, so dass das zwischenliegende Finishband großflächig an die zu bearbeitende Werkstückoberfläche angedrückt werden kann. Der durch die Andrückelemente 452 aufzubringende Arbeitsdruck kann beispielsweise hydraulisch oder elektromotorisch erzeugt werden. Jeweils in Umfangsrichtung zwischen den Abstützelementen 455 und den dazwischenliegenden Andrückelementen 452 sind Finishband-Führungskanäle 456A, 456B vorgesehen, durch die hindurch das Finishband 20 unter Umgehung der Abstützelemente zum Bereich der Andrückelemente 452 bzw. von diesem Bereich weg geführt werden kann.
Durch die direkte Abstützung der Andrückeinrichtungen an der Werkstückoberfläche ist bei dieser Ausführungsform gewährleistet, dass der durch die Andrückelemente 452A, 452B aufzubringende Anpressdruck unabhängig von eventuellen Querbewegungen des zu bearbeitenden Werkstückabschnittes genau eingestellt werden kann. Solche Finisharme mit direkter Abstützung an einer Werkstückoberfläche kommen insbesondere bei der Bearbeitung von Hublagerflächen von Kurbelwellen zum Einsatz, die bei drehendem Werkstück während der Bearbeitung einer Orbitalbewegung um die Hauptachse der Kurbelwelle ausführen. Verschiedene entsprechend modifizierbare Ausführungsformen solcher Andrückeinrichtungen sind beispielsweise im europäischen Patent EP 997 229 B1 der Anmelderin beschrieben.
Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß 3 ist am links gezeigten Finisharm 415B ein Kombinationswerkzeug 455 angebracht, das neben der Kassette 451B und der Andruckeinrichtung 450B auch eine an der Kassette bzw. an der Andrückeinrichtung befestigte Halterung 463 für eine Hochdruckstrahldüse 460 umfasst.
In 5 ist eine Ausführungsform einer einarmigen Bandfinisheinheit 515 gezeigt, welche nur einen Finisharm 515 hat, der in die in 5 gezeigte Arbeitsstellung mit Bearbeitungskontakt zum Werkstück eingeschwenkt bzw. vom Werkstück weg geschwenkt werden kann. Die am unteren Ende des Finisharms angebrachte Kassette 551A mit integrierter Andrückeinrichtung 550A hat im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die entsprechenden Elemente des in 3 rechts gezeigten Finisharmes, weshalb auf die dortige Beschreibung verwiesen wird. Oberhalb der Befestigungseinrichtungen für die auswechselbare Kassette 551A ist am Finisharm 515A ein nach innen ragender Haltearm 562 befestigt, der an seinem freien Ende eine Halterung 563 aufweist, in der eine Hochdruck-Flachstrahldüse 560 befestigt werden kann. Die Flachstrahldüse kann hierzu in die Halterung 563 von oben eingeschoben und in der Halterung in einer entsprechenden Axialposition fixiert werden, wenn der gewünschte Arbeitsabstand zwischen der Düsenöffnung 561 der Flach strahldüse und der Werkstückoberfläche 12 erreicht ist. Bei der schematisch gezeigten Konstruktion wird der Hochdruckstrahl außermittig auf die Werkstückoberfläche aufgestrahlt und trifft unter einem mittleren Auftreffwinkel zwischen 10 und 30° zur Radialrichtung geneigt auf die Werkstückoberfläche auf.
Alle hier exemplarisch gezeigten Ausführungsformen sind dazu geeignet, Finishverfahren zum material abtragenden Feinbearbeitung von Umfangsflächen rotationssymmetrischen Werkstückabschnitte an wellenförmigen Werkstücken aus Grauguss durchzuführen, die gegenüber herkömmlichen Verfahren wesentlich verbesserte Gebrauchseigenschaften haben. In jedem Fall kann eine Verfahrenskombination des Endbearbeitungsverfahrens Finishen mit einer Hochdruck-Strahlbehandlung der bearbeiteten Oberfläche durchgeführt werden.
Eine von zahlreichen Verfahrensvarianten wird im Folgenden im Detail beschrieben. Das Werkstück ist bei dieser Verfahrensvariante ein aus Grauguss gefertigte Kurbelwelle mit Kugelgraphit-Einschlüssen. Der Werkstoff ist nicht härtebehandelt, also ungehärtet und damit relativ zäh und bei geringer Materialstärke entsprechend biegsam. In einer Vorbearbeitungsstufe werden die Hauptlagerflächen und Hublagerflächen der Kurbelwelle in einem Schleifprozess bearbeitet, um die Makroform der Werkstückabschnitte weitestgehend zu definieren. Das Schleifen kann zu einer relativ ausgeprägten Deformation oberflächennaher Schichten führen, wobei Graphitnester eingedrückt oder verschmiert werden können. Die nachfolgende Finishbearbeitung in einem Bandfinishprozess erfolgt in mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstufen. Zunächst wird in einer Vorfinish-Stufe mit einem Finishband gearbeitet, dessen Schneidmittelkörner eine mittlere Korngröße von ca. 30 μm haben. Hierbei wird das Verfahren so geführt, dass der Materialabtrag typischerweise in einem Bereich zwischen ca. 3 μm und ca. 10 μm (bezogen auf den Durchmesser) liegt. Während dieses Materialabtrags wird die aus dem Schleifen resultierende Deformationsschicht weitgehend abgetragen und die in jeder Schicht des Grundwerkstoffs vorhandenen Graphit-Einschlüsse werden teilweise angeschnitten und damit geöffnet. Beim Anschneiden der Einschlussbereiche werden die letzten Materialschichten häufig nicht abgetragen, sondern biegen sich lediglich nach innen und verbleiben als sogenannte Blechdeckel im Hohlraum der Graphiteinschlüsse. Wird weiter Material abgetragen, so werden einige dieser Blechdeckel wieder entfernt, im selben Moment entstehen jedoch an anderer Stelle neue Blechdeckel. Je nach Zähigkeit des Grundwerkstoffes und Schleifparametern kann es auch dazu kommen, dass Poren im Gefüge regelrecht zugeschmiert werden. Typischerweise finden sich an der Werkstückoberfläche nach Abschluss der Vorfinish-Stufe einige geöffnete Einschlussbereiche, aber auch nur teilweise geöffnete Graphiteinschlüsse, die durch einen gegebenenfalls nach innen gedrückten, dünnen Blechdeckel abgedeckt sind. 6 zeigt hierzu eine lichtmikroskopische Aufnahme einer Kurbelwellen-Lagerfläche nach Abschluss der Vorfinishbearbeitung. Im linken oberen Teil ist ein Graphiteinschluss mit Blechdeckel BD erkennbar, darunter befinden sich einige weitgehend geöffnete Graphitanschlüsse GE.
In der darauffolgenden Bearbeitungsstufe wird mit feinerem Schneidmittel gearbeitet, um die letztendlich gewünschte Oberflächenstruktur zu erzielen. Hierzu wird Finishband verwendet, das eine mittlere Korngröße im Bereich zwischen ca. 5 μm bis 10 μm und ca. 20 μm hat, beispielsweise um 15 μm. Der Gesamtabtrag in dieser Bearbeitungsstufe sollte geringer sein als beim Vorfinishen, typischerweise beträgt der Gesamtabtrag nicht mehr als ca. 3 μm, beispielsweise zwischen 1 μm und 3 μm.
Während dieser Bearbeitungsphase wird zeitweise die durch Filterung gereinigte Kühlschmierflüssigkeit mit Hilfe einer Flachstrahl-Hochdruckdüse auf die bearbeitete Oberfläche unter Hochdruck aufgestrahlt. Die Hochdruckstrahlbehandlung kann während der noch laufen den Finishbearbeitung und/oder zeitversetzt nach dieser durchgeführt werden. Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass bei geeigneter Prozessführung die unter Hochdruck aufgestrahlte Flüssigkeit in der Lage ist, in den Raum hinter die Blechdeckel zu gelangen und diese nach außen zu biegen oder vollständig zu lösen. Bei noch geschlossenen Lunkern bzw. Graphiteinschlüssen kann die Hochdruckflüssigkeit eventuell die dünne Schicht aufsprengen und die Deckel lösen. Als geeignete Drücke hierfür haben sich insbesondere Drücke zwischen ca. 50 bar und ca. 120 bar gezeigt. Höhere Drücke führen zwar ebenfalls zu einem guten Ergebnis, zeigen aber bei vielen interessierenden Anwendungen keine signifikante Verbesserung und führen zu erheblich mehr Nebel in der Maschine und damit eventuell auch zu Abdichtproblemen. Der Abstand der Düse zur Werkstückoberfläche sollte kleiner als 10 mm sein, um möglichst viel Energie auf die Oberfläche einwirken zu lassen. Besonders günstig sind in der Regel Abstände von weniger als 5 mm, beispielsweise 1 bis 4 mm.
Bei bevorzugten Verfahrensvarianten ist vorgesehen, dass nach der Hochdruckstrahlbehandlung noch eine Nachfinishbearbeitung ohne Hochdruckstrahlbehandlung nachgeschaltet wird, dass also nach der Hochdruckbehandlung die Oberfläche nochmals gefinisht wird. Bei der Hochdruckstrahlbehandlung stellen sich einige Blechdeckel nach oben, andererseits können auch scharfe Kanten entstehen. Dadurch weist eine Oberfläche unmittelbar nach Abschluss der Hochdruckstrahlbehandlung häufig noch keine optimalen Gleiteigenschaften auf. Aus diesem Grund sollte nach dem Hochdruckstrahlen noch eine Nachfinishbearbeitung erfolgen, durch die noch vorstehende Teile entfernt und scharfe Kanten verrundet werden können. Um durch die Nachfinishbearbeitung nur möglichst wenig neue Graphiteinschlüsse zu öffnen, ist hier nur ein geringer Materialabtrag in der Größenordnung von 1 μm bis maximal 3 μm vorgesehen. 7 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme einer Werkstückoberfläche nach Abschluss der Strahlenbehandlung und nachfolgender Finishbearbeitung. Die Oberfläche ist weitestgehend frei von Blechdeckeln, alle angeschnitten, im Wesentlichen kugelförmigen Graphitnester zeigen eine mehr oder weniger kreisförmige Öffnung ohne Blechdeckel.
Eine mit Hilfe einer Kombination von Hochdruckstrahlen und Finishbearbeitung erzeugte Kurbelwelle kann an den interessierenden Umfangsflächen von Haupt- und Kugellagern eine Vielzahl von Graphitnestern aufweisen, wobei mindestens die Hälfte der angeschnittenen Graphitnester zur Oberfläche hin offen sind und keinen Blechdeckel aufweisen. Die Oberflächenrauheit der bearbeiteten Oberflächen sollte in der Regel im Bereich unterhalb von R_Z = 1 μm liegen, es handelt sich also um eine relativ geringe Rauhigkeit. Solche Oberflächen haben nach Untersuchungen der Erfinder im Betrieb gleichbleibend gute Gleiteigenschaften und begünstigen einen störungsfreien Lauf von Kraft- und Arbeitsmaschinen.

Claims

Verfahren zur Feinbearbeitung von Umfangsflächen rotationssymmetrischer Werkstückabschnitte von Werkstücken aus Grauguss, insbesondere zur Feinbearbeitung von Hublagerflächen und Hauptlagerflächen an Kurbelwellen, bei dem die Umfangsflächen in mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstufen bearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer der Bearbeitungsstufen eine Hochdruckstrahlbehandlung der Umfangsflächen erfolgt, bei der die Umfangsflächen unter Hochdruck derart mit einer Flüssigkeit bestrahlt werden, dass durch Anschneiden von Graphiteinschlüssen erzeugte Blechdeckel mit einer relativ geringen Anbindung an das Werkstück durch die Flüssigkeit vom Werkstück losgelöst und weggespült werden und Blechdeckel mit besserer Anbindung an das Werkstück durch die Flüssigkeit hinterspült und derart aufgestellt werden, dass sie für eine mechanische Entfernung zugänglich werden und dass die aufgestellten Blechdeckel durch eine mechanische, materialabtragende Feinbearbeitung entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Hochdruckstrahlbehandlung mindestens phasenweise gleichzeitig mit einer Finishbearbeitung der Umfangsflächen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Flüssigkeit mindestens phasenweise mit einem Strahldruck zwischen ca. 50 bar und ca. 120 bar aufgestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Flüssigkeit aus einem Abstand von weniger als 10 mm, insbesondere von weniger als 5 mm, auf die Umfangsfläche aufgestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die zu bestrahlende Umfangsfläche im Wesentlichen lückenlos mit mindestens einem Hochdruckstrahl bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin mit einer Hochdruckstrahldüse ein Flachstrahl erzeugt wird, der eine Breite hat, die im Wesentlichen der Breite der Umfangsfläche eines zu bestrahlenden Werkstückabschnitts entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine die Hochdruckstrahlbehandlung umfassende Bearbeitungsstufe mit einem Kombinationswerkzeug durchgeführt wird, welches eine Andrückeinrichtung zum Andrücken von Schneidmittel an die Umfangsfläche und mindestens eine auf die Umfangsfläche ausrichtbare Hochdruckstrahldüse aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin nach der die Hochdruckstrahlbehandlung umfassenden Bearbeitungsstufe eine Nachfinishbearbeitung ohne Hochdruckstrahlbehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine während der Hochdruckstrahlbehandlung durchgeführte Finishbearbeitung nach Beenden der Hochdruckstrahlbehandlung ohne Unterbrechung noch mit dem gleichen Schneidmittel als Nachfinishbearbeitung fortgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine mindestens phasenweise während der Hochdruckstrahlbehandlung durchgeführte Finishbearbeitung mit feinkörnigem Schneidmittel durchgeführt wird, welches eine mittlere Korngröße von weniger als 25 μm hat, wobei die mittlere Korngröße vorzugsweise zwischen ca. 5 μm und 20 μm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine nach Abschluss der Hochdruckstrahlbehandlung durchgeführte Nachfinishbearbeitung mit feinkörnigem Schneidmittel durchgeführt wird, welches eine mittlere Korngröße von weniger als 25 μm hat, wobei die mittlere Korngröße vorzugsweise zwischen ca. 5 μm und 20 μm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin bei einer nach Abschluss der Hochdruckstrahlbehandlung durchgeführten Nachfinishbearbeitung ein Materialabtrag von weniger als 3 μm erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin vor der Hochdruckstrahlbehandlung eine Vorfinishbearbeitung mit Schneidmittel durchgeführt wird, welches eine mittlere Korngröße zwischen ca. 25 μm und ca. 40 μm hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin bei einer der Hochdruckstrahlbehandlung vorgeschalteten Vorfinishbearbeitung ein Materialabtrag zwischen ca. 3 μm und ca. 10 μm erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein bei der Finishbearbeitung verwendeter Kühlschmierstoff auch zur Erzeugung der Hochdruckstrahlen verwendet wird.
Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Umfangsflächen im Wesentlichen rotationssymmetrischer Werkstückabschnitte an Werkstücken (10), die eine Werkstückachse (11) und mehrere entlang der Werkstückachse versetzt angeordnete Werkstückabschnitte (13) aufweisen, insbesondere zur Feinbearbeitung von Lagerstellen an Nocken- und Kurbelwellen, mit einer Vielzahl von Finisheinheiten (15, 315, 415, 515), wobei jede der Finisheinheiten mindestens einen Finisharm (15A, 15B, 315A, 315B, 415A, 415B, 515)) mit einer Andruckeinrichtung (50A, 50B, 350A, 350B, 450A, 450B, 550A) zum Andrücken von Schneidmittel (20) an die Umfangsfläche (12) eines Werkstückabschnittes hat und jedem in einem Bearbeitungsgang zu bearbeitenden Werkstückabschnitt eine Finisheinheit zugeordnet ist, gekennzeichnet durch ein Hochdruckstrahlsystem mit einer Vielzahl von an einen Hochdruckerzeuger (65) angeschlossenen Hochdruckstrahldüsen (60, 360, 460, 560), wobei jeder der Finisheinheiten mindestens eine Hochdruckstrahldüse zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, worin mindestens einer der Finisharme (315B, 415B) ein Kombinationswerkzeug (355, 455) trägt, welches eine Andrückeinrichtung (350B, 450B) zum Andrücken von Schneidmittel (20) an die Umfangsfläche und mindestens eine auf die Umfangsfläche ausrichtbare Hochdruckstrahldüse (360, 460) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, worin eine Andrückeinrichtung (50A, 50B, 350A, 350B, 450A, 450B, 550A) eine der zu bearbeitenden Umfangsfläche angepasste konkave Arbeitskontur definiert und eine Austrittsöffnung der Hochdruckstrahldüse in einem Abstand von weniger als 10 mm von einer durch die Arbeitskontur definierten Kontur entfernt angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, worin mindestens eine Hochdruckstrahldüse eine Flachstrahldüse (60, 360, 460, 560), ist, mit der ein Flachstrahl erzeugbar ist, der eine Breite hat, die im Wesentlichen der Arbeitsbreite der Andrückeinrichtung entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, worin die Hochdruckstrahldüse (60) an eine, vorzugweise stufenlos einstellbare, Hochdruckpumpe (65) angeschlossen ist, welche mit einem Reservoir (R) für den bei der Finisbearbeitung verwendbaren Kühlschmierstoff verbunden ist.
Kurbelwelle (10) aus Grauguss mit mehreren entlang einer Kurbelwellenachse (11) versetzt angeordneten Werkstückabschnitten (13) mit im Wesentlichen rotationssymmetrischen Umfangsflächen (12) zur Bildung von Haupt- oder Hublagern der Kurbelwelle, dadurch gekennzeichnet, dass an den Umfangsflächen (12) eine Vielzahl von angeschnittenen Graphitnestern liegen und dass mindestens die Hälfte der angeschnittenen Graphitnester zur Oberfläche hin offen sind und keinen Blechdeckel aufweisen.
Kurbelwelle nach Anspruch 21, worin die Umfangsflächen in den die Graphitnester umgebenden Bereichen eine Oberfläche mit einer Rautiefe R_Z von weniger als 1 μm haben.