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HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Fertigungssystem und auf eine im Rahmen des Verfahrens und des Fertigungssystems verwendbare Fertigungshilfsplatte.
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Das Zylinderkurbelgehäuse (ZKG), welches oft auch schlicht als „Kurbelgehäuse” oder „Motorblock” zu bezeichnet wird, ist integraler Bestandteil von Verbrennungsmotoren bzw. Brennkraftmaschinen, wie sie beispielsweise in Personen- oder Lastkraftwagen, Flugzeugen, Schiffen oder stationären Anlagen Einsatz finden. Die am weitesten verbreitete Bauform sind Mehrzylindermotoren, deren Kolben über Pleuel mit der rotierenden Kurbelwelle verbunden sind, die die vom Motor erzeugte Kraft an Räder, Schiffsschrauben, Propeller, Generatoren oder dergleichen weiterleitet.
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Die meisten Bauteile und Funktionsflächen an einem Zylinderkurbelgehäuse unterliegen relativ engen Toleranzen, die sich aus den komplexen Funktionen dieser Elemente ergeben. Die Position, die Form, das Maß und die Oberflächentopografie der Zylinderbohrungen bestimmen beispielsweise maßgeblich den Verschleiß, die Reibung, den Ölverbrauch und die Emissionswerte des Verbrennungsmotors sowie, als Folge der Reibung, auch die Leistung und den Wirkungsgrad. Die Kurbelwelle stützt sich am Zylinderkurbelgehäuse in den Lagerstellen der Kurbelwellenlagerbohrung ab. Diese Lagerstellen sind hinsichtlich ihrer Größe und Lage im Zylinderkurbelgehäuse eng toleriert. Die exakte Position der Kurbelwelle relativ zu den Kolben bzw. zu den Zylinderbohrungen ist unter anderem wichtig zur Verschleißminderung an hoch belasteten Motorteilen, wie z. B. den Kolben/Kolbenbolzen, den Pleueln, den Pleuellagern auf der Kurbelwelle und den Lager der Kurbelwelle im Zylinderkurbelgehäuse. Bei der Position der Bohrungsachse spielt sowohl die absolute Position im Raum als auch ihre Winkellage bzw. Orientierung eine Rolle.
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Weiterhin muss am Zylinderkurbelgehäuse an der dem Zylinderkopf zugewandten Zylinderkopfseite eine möglichst ebene Abschlussfläche geschaffen werden, die als Anlagefläche für die Zylinderkopfdichtung dient. Diese Abschlussfläche wird im Folgenden auch als „Deckfläche” bezeichnet. Die Abdichtung zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf durch eine Zylinderkopfdichtung wird wegen der zunehmend höheren Verdichtungen insbesondere im Bereich der Dieselmotoren, aber auch bei Ottomotoren, immer starker beansprucht. Um die Funktion der Abdichtung zu gewährleisten, werden heutzutage die Deckflächen in der Regel zunächst durch Fräsen weitestgehend geebnet, bevor anschließend durch Schleifen die Ebenheit weiter verbessert und die gewünschte Oberflächenmikrostruktur hergestellt wird. Ein hierzu geeignetes Flachschleifverfahren ist in der
DE 10 2007 021 659 A1 beschrieben.
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Bei der Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses wird zunächst ein Rohling gegossen, der anschließend mit unterschiedlichen spanabhebenden Bearbeitungsverfahren in geeigneter Abfolge bearbeitet wird. Bei gattungsgemäßen Verfahren wird nach dem Gießen an der zur Befestigung des Zylinderkopfs vorgesehenen Zylinderkopfseite des Gussteils in einer ein- oder mehrstufigen Planfeinbearbeitungsoperation die ebene Deckfläche erzeugt. Nachfolgend werden in mehreren nacheinander durchlaufenen Arbeitsstationen tribologisch beanspruchbare Bohrungen des ZKG, insbesondere die Zylinderbohrungen und die Kurbelwellenlagerbohrung, erst einer Vorbearbeitung und anschließend einer Feinbearbeitung unterzogen.
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Die Vorbearbeitung des Zylinderkurbelgehäuses umfasst in der Regel eine gehäuseseitige, d. h. einseitige Vorbearbeitung von Elementen der Kurbelwellenlagerbohrung inklusive der Erzeugung einer Axiallagerfläche für die Kurbelwelle, eine Vorbearbeitung des Zylinderkurbelgehäuses von allen Seiten, um beispielsweise Gewindebohrungen zur Anbringung von Bauteilen zu erzeugen, sowie die Montage des Lagerdeckels, der gemeinsam mit gehäuseseitigen Lagerstegen die Kurbelwellenlagerbohrung bildet. In der Regel werden im Rahmen der Vorbearbeitung auch die Zylinderbohrungen vorgebohrt und Indexbohrungen am Rande der Deckfläche angebracht. Mit Hilfe der Indexbohrungen kann das Zylinderkurbelgehäuse bei Bedarf für positionsbestimmende Bearbeitungsoperationen in einer genau bestimmbaren Position relativ zur Bearbeitungsmaschine festgelegt werden. Das Vorbohren der Zylinderbohrungen wird manchmal auch als früher Bearbeitungsschritt bei der Feinbearbeitung angesehen.
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Zur Feinbearbeitung werden in der Regel diejenigen Bearbeitungsoperationen gezählt, die nach der Montage des Lagerdeckels für die Kurbelwellenlagerbohrung durchgeführt werden. Zur Feinbearbeitung gehört bei vielen Prozessen das Feinbohren der Zylinderbohrungen, gelegentlich auch das Feindrehen bzw. Feinspindeln. Im Rahmen dieser Operation wird häufig auch eine Montagefase am zylinderkopfseitigen Ende der Zylinderbohrungen angebracht. Vorher oder nachher wird in der Regel die Kurbelwellenlagerbohrung vorgebohrt, wobei sich noch eine Zwischenbohroperation und eine Fertigbohroperation der Kurbelwellenlagerbohrung anschließen können, um die richtige Position der Bohrungsachse in Bezug auf ein werkstückfestes Bezugssystem einzustellen.
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In den letzten Stufen der Feinbearbeitung sowohl der Zylinderbohrungen als auch der Kurbelwellenlagerbohrung wird normalerweise das Bearbeitungsverfahren „Honen” (Innenhonen) genutzt. Das klassische Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem vielschneidige Honwerkzeuge eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführen, die zu einer charakteristischen Oberflächenstruktur der bearbeiteten Bohrungsinnenfläche führt. Durch Honen sind endbearbeitete Oberflächen herstellbar, die extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen sowie hinsichtlich der Oberflächenstruktur genügen. Bei der Honbearbeitung von Zylinderlaufflächen (Innenflächen der Zylinderbohrungen oder Innenflächen von in Zylinderbohrungen eingebauten Zylinderhülsen) werden typischerweise mehrere unterschiedliche Honoperationen nacheinander durchgeführt, beispielsweise ein Vorhonen mit relativ starkem Materialabtrag zur Erzeugung der gewünschten Makroform der Bohrung und ein Fertighonen mit geringerem Materialabtrag, um die am fertigen Werkstück benötigte Oberflächenstruktur zu erzeugen. Es können auch Zwischenhonschritte durchgeführt werden.
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Die Kurbelwellenlagerbohrung wird herkömmlich ebenfalls durch Honen endbearbeitet, wobei hier in der Regel das sogenannte Dornhonen eingesetzt wird. Während beim klassischen Honen Honwerkzeuge mit während des Honens radial zustellbaren Schneidgruppen verwendet werden, um durch eine Vielzahl von Hüben allmählich das gewünschte Sollmaß der Bohrung zu erreichen, wird beim Dornhonen ein auf Sollmaß (Fertigmaß) voreingestelltes Dornhonwerkzeug (vgl. z. B.
DE 196 34 415 B4 ) verwendet, welches einen konischen Schneidbereich und einen sich daran anschließenden ebenfalls schneidenden zylindrischen Kalibrierbereich hat. Der gesamte Abtragsvorgang erfordert beim Dornhonen normalerweise nur einen oder wenige Doppelhübe.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, anstelle des Feinbohrens eine Schrupphonoperation einzusetzen, also eine Honbearbeitung mit relativ starker Materialabtrag. Dieses Konzept sieht eine feste Anordnung der Werkzeugachse des Honwerkzeuges und ebenso eine feste Aufspannung des Werkstückes in einer definierten Position vor. Bei dem in der
DE 103 48 419 B3 beschriebenen Verfahren greifen hierzu Indexbolzen der Werkstückhaltevorrichtung in Indexbohrungen am Zylinderkurbelgehäuse ein. Im Gegensatz zu Honverfahren mit gelenkig bzw. nachgiebig aufgehängten Honwerkzeugen, die sich an der vorbearbeiteten Bohrung ausrichten, ist es mit solchen „Positionshonverfahren” möglich, die Achslage der Bohrung durch Honen zu korrigieren.
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Bei der Honbearbeitung von Zylinderlaufflächen strebt man in der Regel eine kreiszylindrische Bohrungsgeometrie an. Häufig geht jedoch nach der Montage des Zylinderkopfes oder im Betrieb des zusammengebauten Motors die einsatzoptimale Bauteilgeometrie durch elastische Deformationen verloren, die beispielsweise bei der Montage des Zylinderkopfs auf dem Zylinderkurbelgehäuse und/oder durch dynamische Kräfte aufgrund von Verbrennungsdrücken während des Betriebs entstehen. Zur Vermeidung hierdurch entstehender Probleme z. B. bei der Abdichtung zu den Kolbenringen wird die Feinbearbeitung häufig so gestaltet, dass durch die Feinbearbeitung eine Negativform der deformierten Bohrung erzeugt wird, die sich dann im Betrieb zu einer mehr oder weniger kreiszylindrischen Bohrungsform rückdeformiert. So ist beispielsweise in der
DE 28 10 322 C2 vorgeschlagen worden, die Negativform der Deformation einer Zylinderbohrung dadurch zu erzeugen, dass das Zylinderkurbelgehäuse für eine Honbearbeitung mit Hilfe einer Verspannungseinrichtung deformiert wird, die die spätere Deformation durch den Zylinderkopf simuliert. In dem verspannten Zustand, der dem später bei der Montage vorliegenden Zustand entspricht, findet die Honbearbeitung statt, die zu einer kreiszylindrischen Bohrungsform führt. Danach wird die Verspannung gelöst. Solche Verspannungseinrichtungen werden in der Fachwelt meist als „Honbrille” bezeichnet.
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Die
DE 10 2007 015 153 B4 zeigt Varianten von Honbrillen, die einen vereinfachten Verfahrensablauf bei der Verspannung mit dem Werkstück und eine verbesserte Reproduzierbarkeit des bei der Verspannung erzeugten Verspannungszustandes erlauben. Für die Bearbeitung wird das Zylinderkurbelgehäuse auf einer am Maschinenbett einer Honmaschine befestigte Aufspannplatte befestigt, die als Werkstückhaltevorrichtung dient. Beschrieben wird auch eine Variante eines Honverfahrens, bei der die Verspannungseinrichtung zusätzlich zu ihrer Verspannungsfunktion auch als Transportpalette für die bearbeiteten Zylinderkurbelgehäuse verwendet wird. Hierbei bleibt das Werkstück zunächst nach Abschluss der Honbearbeitung mit der Verspannungseinrichtung verbunden und die Verspannungseinrichtung wird gemeinsam mit dem Werkstück aus einer Bearbeitungsstation zur nachfolgenden Station weiterbewegt. Das nachfolgende Werkstück kann bereits außerhalb der Bearbeitungsstation mit einer entsprechenden Verspannungseinrichtung verspannt werden und gemeinsam mit dieser in die Bearbeitungsposition der Honmaschine gebracht werden.
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Für den Transport der Zylinderkurbelgehäuse zwischen den einzelnen Arbeitsstationen eines Fertigungssystems sind unterschiedliche Transportsysteme verfügbar, beispielsweise Schritthubsysteme oder Schiebetransfersysteme. Diese transportieren die Zylinderkurbelgehäuse in die jeweilige Arbeitsposition einer Arbeitsstation, wo sie dann ggf. mittels geeigneter Werkstückhaltevorrichtungen fixiert werden.
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Werden in einer Fertigungslinie unterschiedliche Typen von Zylinderkurbelgehäusen bearbeitet, beispielsweise Zylinderkurbelgehäuse mit unterschiedlich dimensionierten Zylinderbohrungen, so werden in der Regel Werkstückträger verwendet, die jeweils eine Standardschnittstelle zu maschinenseitigen Elementen der jeweiligen Bearbeitungsmaschinen zur Verfügung stellen. Derartige Werkstückträger werden heute praktisch ausschließlich an der der Deckfläche gegenüber liegenden Ölwannenseite des Zylinderkurbelgehäuses montiert. Ausnahmsweise können derartige Werkstückträger auch einmal an der Getriebeseite des Zylinderkurbelgehäuses oder an der Kurbelwellenlagerbohrung angebracht werden. Wenn die Zylinderkurbelgehäuse im verspannten Zustand bearbeitet werden sollen, werden dann sowohl Honbrillen als auch Werkstückträger montiert. Diese Lösung ist sehr teuer, da sowohl Honbrillen als auch Werkstückträger in hohen Stückzahlen bereitgestellt werden müssen und durch die Fertigungslinie laufen, wo sie verschleißen können und immer wieder gereinigt werden müssen.
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AUFGABE UND LOSUNG
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Fertigungssystem zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen bereitzustellen, die eine effiziente und kostenoptimierte Fertigung großer Stückzahlen von Zylinderkurbelgehäusen auch dann gewährleisten, wenn in einer Fertigungslinie unterschiedliche Typen von Zylinderkurbelgehäusen gegebenenfalls mit unterschiedlichen Bearbeitungsverfahren bearbeitet werden sollen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird ein Fertigungssystem zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen mit den Merkmalen von Anspruch 16 bereitgestellt. Die Erfindung stellt weiterhin eine im Rahmen des Fertigungssystems und des Verfahrens verwendbare Fertigungshilfsplatte mit den Merkmalen von Anspruch 12 bereit.
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Im Rahmen dieser Anmeldung bezeichnet der Begriff „Arbeitsstation” eine Station eines Fertigungssystems, in der ein oder mehrere Arbeitsschritte am Werkstück durchgeführt werden. Wird das Werkstück dabei im Sinne einer Bearbeitung verändert, beispielsweise durch Materialabtrag und/oder Materialumformung und/oder Materialauftrag, so kann die Arbeitsstation auch als „Bearbeitungsstation” und die „Arbeitsposition” auch als „Bearbeitungsposition” bezeichnet werden. Das Fertigungssystem kann auch eine oder mehrere Arbeitsstationen umfassen, an denen keine zu einer Veränderung des Werkstücks führende Bearbeitung stattfindet. Ein Beispiel hierfür ist eine reine Messstation, an der z. B. eine Formmessung und/oder eine Dimensionsmessung und/oder eine Oberflächenmessung, z. B. zur Bestimmung der Rauheit, durchgeführt wird. Es sind auch Arbeitsstationen möglich, an denen eine Bearbeitung und zeitgleich oder zeitlich versetzt auch eine Messung durchgeführt wird. Diese werden in der Regel auch als Bearbeitungsstationen bezeichnet, da eine das Werkstück verändernde Bearbeitung vorgenommen wird.
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Bei dem Fertigungsverfahren gemäß der beanspruchten Erfindung wird nach der Planfeinbearbeitungsoperation an der Deckfläche eine Fertigungshilfsplatte montiert. Die Fertigungshilfsplatte kann dabei unmittelbar nach Abschluss der Planfeinbearbeitungsoperation, also ohne zwischengeschaltete Arbeitsschritte, befestigt werden und schützt dadurch die fertig bearbeitete Deckfläche. Es ist auch möglich, dass nach Abschluss der Planfeinbearbeitungsoperation noch ein oder mehrere Arbeitsschritte am Zylinderkurbelgehäuse vorgenommen werden, bevor die Fertigungshilfsplatte an der Deckfläche befestigt wird. In der Regel ist es vorteilhaft, wenn die Fertigungshilfsplatte vor einer ersten an einer Bohrung des Zylinderkurbelgehäuses durchzuführenden Feinbearbeitungsoperation an die Deckfläche montiert wird.
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Das Zylinderkurbelgehäuse mit der daran montierten Fertigungshilfsplatte wird dann an einer ersten Arbeitsstation in einer ersten Arbeitsposition positioniert. Sobald sich das Zylinderkurbelgehäuse in der ersten Arbeitsposition befindet, kann am Zylinderkurbelgehäuse mindestens ein Arbeitsschritt durchgeführt werden, z. B. eine das Werkstück verändernde Bearbeitung.
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Danach wird das Zylinderkurbelgehäuse mit der daran montierten Fertigungshilfsplatte aus der ersten Arbeitsposition in eine zweite Arbeitssposition einer nachgeschalteten zweiten Arbeitsstation transportiert.
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Dann wird das Zylinderkurbelgehäuse in der zweiten Arbeitsposition positioniert. Sobald das Zylinderkurbelgehäuse in der zweiten Arbeitsposition sicher positioniert ist, kann dort mindestens ein weiterer Arbeitsschritt durchgeführt werden. Beispielsweise kann eine Bearbeitung des Zylinderkurbelgehäuses erfolgen. Ggf. kann vorher oder nachher in der zweiten Arbeitsposition eine Messung am Werkstück durchgeführt werden.
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In mindestens einer der Arbeitsstationen wird das Zylinderkurbelgehäuse unter Verwendung der Fertigungshilfsplatte derart positioniert, dass ein der Arbeitsstation zugeordneter Bestandteil einer Werkstückhaltevorrichtung an der Fertigungshilfsplatte angreift. Die Fertigungshilfsplatte wird somit bei mindestens einer Arbeitsstation als funktioneller Bestandteil der entsprechenden Werkstückhaltevorrichtung genutzt. Dadurch ist eine besonders einfache und exakte Positionierung möglich.
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Vorzugsweise wird das Zylinderkurbelgehäuse an mindestens zwei nacheinander durchlaufenen Arbeitsstationen unter Verwendung der Fertigungshilfsplatte derart positioniert, dass ein der Arbeitsstation zugeordneter Bestandteil einer Werkstückhaltevorrichtung an der Fertigungshilfsplatte angreift. Die Fertigungshilfsplatte ist in diesen Fällen ein funktioneller Bestandteil von mehreren nacheinander genutzten Werkstückhaltevorrichtungen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Fertigungshilfsplatte beim Transportieren des Zylinderkurbelgehäuses zwischen mindestens zwei Arbeitsstationen derart verwendet wird, dass mindestens ein Transportorgan eines den Arbeitsstationen zugeordneten Transportsystems an der Fertigungshilfsplatte angreift. Das ist z. B. möglich, indem ein den Arbeitsstationen zugeordnetes Transportsystem über ein oder mehrere entsprechende Transportorgane an der Fertigungshilfsplatte angreift. In diesem Stadium ist die Fertigungshilfsplatte dann ein funktioneller Bestandteil des Transportsystems.
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In entsprechender Weise kann das Zylinderkurbelgehäuse unter Verwendung der Fertigungshilfsplatte noch zu weiteren Arbeitsstationen transportiert und dort mit Hilfe der Fertigungshilfsplatte an den dortigen Werkstückhaltevorrichtungen aufgenommen und dadurch richtig positioniert werden. Die Begriffe „erste” und „zweite” Arbeitsstation sind hier im Sinne der Vorgabe einer Reihenfolge so zu verstehen, dass die zweite Arbeitsstation in Werkstückflussrichtung der ersten nachgeschaltet ist. Vor der ersten und/oder hinter der zweiten können sich weitere Arbeitsstationen befinden.
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Die Verwendung solcher zylinderkopfseitig am Zylinderkurbelgehäuse anzubringender Fertigungshilfsplatten bringt eine Reihe erheblicher Vorteile sowohl im Hinblick auf den Fertigungsablauf als auch im Hinblick auf die Fertigungskosten. Bei Verwendung der hier vorgeschlagenen Fertigungshilfsplatten ist eine zusätzliche Standardisierung von Feinbearbeitungsmaschinen möglich. Unabhängig davon, ob der Fertigungsprozess die Verwendung einer Honbrille fordert oder nicht, wird stets eine einheitliche Schnittstelle zu den Bearbeitungsmaschinen hin verwendet, was insbesondere bei flexiblen Fertigungslinien einen enormen finanziellen Vorteil darstellt.
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Es wird unter anderem ausgenutzt, dass die Deckfläche an der Zylinderkopfseite des Zylinderkurbelgehäuses im Gegensatz zur Ölwannenseite eine sehr wichtige Fläche eines Zylinderkurbelgehäuses ist, die dementsprechend durch die früh im Fertigungsprozess stattfindende Planfeinbearbeitungsoperation genau bearbeitet wird. Die Verwendung dieser Fläche zur Anbringung einer Fertigungshilfsplatte stellt damit unter anderem eine Vereinfachung der Fertigung dar, da die nach dem Gießen zunächst in der Regel relativ ungenau vorliegende Ölwannenseite nicht genau bearbeitet werden muss. Bei herkömmlichen Fertigungsverfahren, die die Ölwannenseite des Zylinderkurbelgehäuses zur Aufspannung in Werkstückhaltevorrichtungen der Arbeitsstationen und/oder zur Anbringung von standardisierten Werkstückträgern nutzen, ist dagegen in der Regel eine spanabhebende Bearbeitung der Ölwannenseite erforderlich, um eine für die Werkstückspannung ausreichend genaue Spannfläche bereitzustellen. Derartige Hilfsbearbeitungsoperationen können bei Verwendung der Fertigungshilfsplatte entfallen.
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Wenn die Fertigungshilfsplatte an der Deckfläche montiert ist, kann die Deckfläche als Fertigungsreferenzfläche bzw. Bezugsfläche für die weitere Bearbeitung dienen. Dies ist jedoch nicht zwingend. Die an der Deckfläche angebrachte Fertigungshilfsplatte hat bei dem Verfahren mindestens zwei Funktionen. Beim Positionieren des Zylinderkurbelgehäuses in den Arbeitspositionen der Arbeitsstationen ist die Fertigungshilfsplatte ein funktioneller Bestandteil der jeweiligen Werkstückhaltevorrichtung. Die maschinenseitigen Bestandteile sind dabei so ausgelegt, dass sie an der (standardisierten) Fertigungshilfsplatte angreifen können. Eine Anpassung maschinenseitiger Teile der Werkstückhaltevorrichtungen an gegebenenfalls unterschiedliche Geometrien des Zylinderkurbelgehäuses ist daher nicht mehr nötig, was zu einem vereinfachten Aufbau der maschinenseitigen Elemente der Werkstückhaltevorrichtungen führt.
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Die Genauigkeit der mit Hilfe der Fertigungshilfsplatte durchgeführten Positionierung kann je nach Art des Fertigungsprozesses und/oder je nach Art der Arbeitsstation, an der das Werkstück positioniert wird, unterschiedlich sein. Bei vielen Verfahrensvarianten reicht es aus, wenn an einer Arbeitsstation oder an mehreren oder an allen Arbeitsstationen mit Hilfe der der Fertigungshilfsplatte eine Grobpositionierung durchgeführt wird. Der Begriff „Grobpositionierung” umfasst hierbei vor allem Positioniervorgänge, bei denen die geforderte Lagegenauigkeit im Bereich von einem Zehntel Millimeter oder mehr liegt, beispielsweise zwischen 1/10 mm und 3/10 mm. Solche Lagegenauigkeiten reichen beispielsweise in der Regel aus, um mit Hilfe eines gelenkig an einer Arbeitsspindel angekoppelten Honwerkzeugs eine Honoperation durchzuführen. In diesem Fall kann sich das Bearbeitungswerkzeug bei Lageungenauigkeiten der tatsächlichen Position der zu bearbeitenden Bohrung anpassen. Es ist jedoch auch möglich, mit Hilfe der Fertigungshilfsplatte eine Feinpositionierung durchzuführen. Im Rahmen dieser Anmeldung liegt eine „Feinpositionierung” dann vor, wenn die geforderte bzw. erreichte Lagegenauigkeit deutlich unterhalb von 1/100 mm liegt, beispielsweise im Bereich von 1 μm oder wenigen Mikrometern. Derart hohe Anforderungen an die Lagegenauigkeit können beispielsweise bei Positionshonoperationen vorliegen, wenn also mit Hilfe einer Honbearbeitung die Lage und/oder die Orientierung einer Bohrungsachse definiert bzw. korrigiert werden soll.
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Außerdem kann die Fertigungshilfsplatte in den Transportphasen zwischen den Arbeitsstationen als Teil des Transportsystems dienen. Auch dieses kann daher einen vereinfachten Aufbau haben, da es nicht mehr nötig ist, dass das Transportsystem Elemente hat, die direkt am Zylinderkurbelgehäuse angreifen. Vielmehr kann das Transportsystem für unterschiedlichste Zylinderkurbelgehäuse identisch gestaltet sein, wenn jeweils eine im Hinblick auf die Transportfunktion standardisierte Fertigungshilfsplatte verwendet wird.
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Der Begriff „Fertigungshilfsplatte” ist im Rahmen dieser Anmeldung weit zu interpretieren. Es handelt sich um eine zur Optimierung des Fertigungsablaufs genutzte Fertigungshilfseinrichtung, die als Teil des Fertigungssystems angesehen werden kann. Die Fertigungshilfsplatte ist in der Regel ein im Vergleich zu seiner Länge und Breite relativ flaches Bauteil, weshalb hier vereinfachend der Begriff „Platte” verwendet wird. Die Fertigungshilfsplatte hat an ihrer dem Zylinderkurbelgehäuse zugewandten Seite vorzugsweise eine Planfläche, die bei Montage der Fertigungshilfsplatte an der Deckfläche in großflächigem Berührungskontakt mit dieser steht, so dass diese Teile fest, aber leicht lösbar miteinander verbunden werden können und die Deckfläche durch die Montage der Fertigungshilfsplatte nicht beschädigt wird. Außerhalb des für den Kontakt mit der Deckfläche vorgesehenen Bereiches kann die dem Zylinderkurbelgehäuse zugewandte Seite ebenfalls weitgehend plan bearbeitet sein, sie kann jedoch auch Strukturierungen in Form von Vorsprüngen und/oder Ausnehmungen und/oder weitere Elemente aufweisen, die für das Zusammenwirken mit Elementen des Transportsystems und/oder der maschinenseitigen Elemente von Werkstückhaltevorrichtungen dienen.
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Die Fertigungshilfsplatte kann ein einteiliges, d. h. aus einem Stück gefertigtes Bauteil sein, was der Fertigungshilfsplatte eine besondere Stabilität verleihen kann. Eine Fertigungshilfsplatte kann auch aus zwei oder mehr dauerhaft durch Schweißen oder Löten oder auf andere Weise fest miteinander verbundenen Teilen bestehen. Es ist auch möglich, die Fertigungshilfsplatte unter Verwendung von zwei oder mehr lösbar miteinander verbindbaren Bauteilen aufzubauen. Bei solchen mehrteiligen Fertigungshilfsplatten können gegebenenfalls einzelne Bestandteile bei Verschleiß ausgetauscht und andere Bestandteile im Rahmen einer überholten Fertigungshilfsplatte weiterverwendet werden.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Zylinderkurbelgehäuse bei mindestens einer der Arbeitssstationen, vorzugsweise bei mehreren oder allen mit Hilfe der Fertigungsplatte angefahrenen Arbeitsstationen, ausschließlich über die Fertigungshilfsplatte in der Arbeitsposition gehalten. In diesen Fällen ist z. B. eine hängende Bearbeitung möglich, wobei die Ölwannenseite nicht für die Werkstückhalterung genutzt wird und auch kein unterer Werkstückträger vorgesehen sein muss. Eine Bearbeitung der Ölwannenseite für Transport- und Spannzwecke wird dadurch entbehrlich und es können auch entsprechende Elemente der Werkstückhalterungen und die Werkstückträger entfallen.
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Der Zeitpunkt der Montage der Fertigungshilfsplatte an der Deckfläche kann in Abhängigkeit vom geplanten Bearbeitungsprozess unterschiedlich sein. Bei vielen Verfahrensvarianten umfasst die Feinbearbeitung mehrere nacheinander durchzuführende Honoperationen. Die Fertigungshilfsplatte wird dabei vorzugsweise vor einer ersten, an einer Bohrung des Zylinderkurbelgehäuses vorzunehmenden Honoperation an der Deckfläche montiert und verbleibt vorzugsweise zumindest bei allen Honoperationen am Zylinderkurbelgehäuse.
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In der Regel ist es günstig, wenn die Fertigungshilfsplatte vor einer ersten Feinbearbeitungsoperation an einer Bohrung des Zylinderkurbelgehäuses an der Deckfläche montiert wird, so dass gegebenenfalls auch dem Honen vorgeschaltete Feinbearbeitungsschritte schon unter Verwendung der Fertigungshilfsplatte durchgeführt werden können.
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Bei manchen Verfahrensvarianten wird die Fertigungshilfsplatte schon so frühzeitig im Prozess an dem Zylinderkurbelgehäuse montiert, dass auch noch eine oder mehrere der Vorbearbeitung zugeordnete Bearbeitungsoperationen an dem mit der Fertigungshilfsplatte verbundenen Werkstück durchgeführt werden, beispielsweise einzelne oder alle Bohroperationen an den Zylinderbohrungen und/oder an der Kurbelwellenlagerbohrung. In manchen Fallen wird die Fertigungshilfsplatte direkt nach der Planfeinbearbeitungsoperation der Deckfläche montiert, so dass alle nachfolgenden Bearbeitungsoperationen bei montierter Fertigungshilfsplatte stattfinden können.
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Bei manchen Verfahrensvarianten wird die Fertigungshilfsplatte erst nach Abschluss einer letzten Feinbearbeitungsoperation von dem Zylinderkurbelgehäuse demontiert. Damit bleibt die Fertigungshilfsplatte zumindest bei den letzten, der Feinbearbeitung zuzuordnenden Bearbeitungsoperationen mit dem Zylinderkurbelgehäuse verbunden, so dass für die zu diesem Zwecke vorgesehenen Bearbeitungsstationen der Transport und die Werkstückhalterung stark vereinfacht werden. Gegebenenfalls kann die Fertigungshilfsplatte auch noch bei einer nachfolgenden Reinigungsoperation mit dem Werkstück verbunden bleiben.
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Manche Fertigungshilfsplatten sind derart gestaltet und werden derart montiert, dass das Zylinderkurbelgehäuse weitestgehend spannungsfrei an der Fertigungshilfsplatte befestigt ist. In diesen Fällen hat die Fertigungshilfsplatte vor allem ihre Funktionen im Zusammenhang mit der Werkstückhalterung und dem Werkstücktransport. Es gibt jedoch auch Verfahrensvarianten, bei denen es gewünscht ist, das Werkstück in einen definierten Verspannungszustand zu bringen. Für solche Varianten kann die Fertigungshilfsplatte derart ausgebildet sein und an dem Zylinderkurbelgehäuse montiert werden, dass das Zylinderkurbelgehäuse durch die Befestigung der Fertigungshilfsplatte in einen definierten Verspannungszustand gebracht wird, der insbesondere dem Verspannungszustand des Zylinderkurbelgehäuses im Betrieb des Zylinderkurbelgehäuses entspricht. In diesen Fällen kann die Fertigungshilfsplatte somit zusätzlich die Funktion einer herkömmlichen Honbrille übernehmen, wie sie beispielsweise in der
DE 28 10 322 C2 oder der
DE 10 2007 015 153 B4 beschrieben ist.
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Bei manchen Ausführungsformen hat die Fertigungshilfsplatte zusätzlich zu den Funktionen bei der Werkstückhalterung und/oder dem Transport eine weitere Funktion im Rahmen der korrekten Ausrichtung des Werkstücks in Bezug auf ein maschinenfestes Koordinatensystem. Bei diesen Ausführungsformen wird die Fertigungshilfsplatte mittels korrespondierender erster Indexiereinrichtungen, die sich an der Fertigungshilfsplatte bzw. am Zylinderkurbelgehäuse befinden, in einer definierten Position am Zylinderkurbelgehäuse festgelegt. Weiterhin wird die Fertigungshilfsplatte mittels korrespondierender zweiter Indexiereinrichtungen, die sich an der Fertigungshilfsplatte bzw. an einem Bestandteil einer Werkstückhaltevorrichtung befinden, in einer definierten Position an einer Bearbeitungsstation festgelegt. Die ersten Indexiereinrichtungen dienen hierbei dazu, das werkstückinterne Koordinatensystem des Zylinderkurbelgehäuses und das interne Koordinatensystem der Fertigungshilfsplatte zueinander auszurichten. Mit Hilfe der zweiten Indexiereinrichtung wird das Koordinatensystem der Fertigungshilfsplatte relativ zum Koordinatensystem der Bearbeitungsmaschine ausgerichtet. Dadurch wird, vermittelt über die Fertigungshilfsplatte, auch das werkstückfeste Koordinatensystem in Bezug auf das maschinenfeste Koordinatensystem der Bearbeitungsmaschine ausgerichtet. Bei derartigen Ausführungsformen ist es daher möglich, positionsbestimmende Bearbeitungsoperationen am Zylinderkurbelgehäuse vorzunehmen. Beispielsweise kann die Fertigungshilfsplatte vor einer die Position der Zylinderbohrungen bestimmenden Feinbearbeitungsoperation und/oder vor einer die Position der Kurbelwellenlagerbohrung bestimmten Feinbearbeitungsoperation an der Deckfläche montiert werden. Die Fertigungshilfsplatte kann dadurch die herkömmliche direkte Indexierung des Werkstücks an einem Element der Werkstückhaltevorrichtung der Bearbeitungsmaschine ersetzen.
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Es kann jedoch auch gewünscht sein, dass das Werkstück für eine positionsbestimmende Bearbeitung direkt an einem maschinenfesten Element der Bearbeitungsvorrichtung indexiert wird, ohne dass dazu die Fertigungshilfsplatte genutzt wird. Insbesondere für solche Anwendungen kann eine Fertigungshilfsplatte so gestaltet sein, dass sie im Bereich der an der Deckfläche vorgesehenen Indexbohrungen Aussparungen hat, so dass diese Indexbohrungen für maschinenfeste Indexiermittel, beispielsweise für in die Indexbohrungen eingreifende Indexierbolzen, unmittelbar zugänglich bleiben. Auch in diesem Fall ist die Fertigungshilfsplatte nützlich, da mit Hilfe der Fertigungshilfsplatte eine Grobpositionierung des Werkstückes in der Weise erfolgen kann, dass die direkte Indexierung des Werkstücks an maschinenfesten Indexiermitteln ohne weitere Lagekorrekturen möglich ist.
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Die Fertigungshilfsplatte kann beispielsweise an ihrer Oberseite und/oder an ihren Seitenflächen Einrichtungen aufweisen, die für das Zusammenwirken mit Organen des Transportsystems bzw. mit den maschinenseitigen Teilen von Werkstückhaltervorrichtungen ausgestaltet sind. Beispielsweise könnten seitliche Löcher angebracht sein, in die Greifelemente eines Greifers zum Transport und zur Werkstückpositionierung eingreifen.
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Vorzugsweise ist die Fertigungshilfsplatte an die Größe der zu tragenden Zylinderkurbelgehäuse derart angepasst, dass in einer Querrichtung senkrecht zu einer durch die Bohrungsachsen der Zylinderbohrungen definierten gemeinsamen Zylinderachsebenen beidseitig ein seitlicher Überstand gegenüber einer Außenkontur des Zylinderkurbelgehäuses verbleibt. Die Fertigungshilfsplatte sollte dabei zumindest über die seitlichen Ränder der Deckfläche deutlich hinaus stehen, so dass korrespondierende Elemente der Transporteinrichtung und/oder von Werkstückhaltevorrichtungen an der werkstückseitigen Seite der Fertigungshilfsplatte angreifen können. Vorzugsweise ist die Fertigungshilfsplatte so dimensioniert, dass sie beidseitig breiter als das Zylinderkurbelgehäuse an seiner breitesten Stelle ist. Hierdurch wird eine besonders einfache Konstruktion der mit der Fertigungshilfsplatte zusammenwirkenden Teile des Transportsystems und der Werkstückhaltevorrichtungen an den Bearbeitungsstationen möglich. Diese können gegebenenfalls ausschließlich an der dem Werkstück zugewandten Seite der Fertigungshilfsplatte angreifen.
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Bei manchen Ausführungsformen ist die Fertigungshilfsplatte in der Querrichtung mindestens doppelt so breit wie die Deckfläche, wobei die Breite insbesondere zwischen 200% und 400% der Breite der Deckfläche in Querrichtung betragen kann. Hierdurch ist ein guter Kompromiss zwischen ausreichender Stabilität der Fertigungshilfsplatte einerseits und ausreichend Platz für den Angriff von Elementen des Transportsystems und/oder der Werkstückhalteeinrichtungen möglich.
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Die Fertigungshilfsplatte wird vorzugsweise mit Hilfe von Spannschrauben befestigt, die durch entsprechend positionierte und dimensionierte Durchgangsbohrungen der Fertigungshilfsplatte hindurch in die in der Deckfläche vorgesehenen Zylinderkopfschraubenbohrungen eingreifen. Hierdurch ist im Bedarfsfall beispielsweise auch eine realitätsnahe Simulation des Verspannungszustandes für das Honen mit Honbrille möglich.
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In vielen Fallen sind bei Zylinderkurbelgehäusen einer Teilefamilie, beispielsweise bei Zylinderkurbelgehäusen für Vierzylindermotoren unterschiedlicher Hubraumgrößen, der Achsabstand zwischen den Zylinderbohrungen (das sogenannte Stichmaß) und die Bohrungsdurchmesser gleich, so dass nur die Hublänge variiert. Das Bohrungsmuster für die Zylinderkopfschraubenbohrungen kann in diesen Fällen über verschiedene Zylinderkurbelgehäuse einer Teilefamilie gleich sein, so dass auch an der Fertigungshilfsplatte ein entsprechendes einfaches Muster von Durchgangsbohrungen im Bereich von Durchlassöffnungen für die Bearbeitungswerkzeuge vorgesehen sein kann.
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Um zu ermöglichen, dass ein und derselbe Typ einer Fertigungshilfsplatte für mehrere unterschiedliche Typen von Zylinderkurbelgehäusen verwendet werden kann, ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, dass die Fertigungshilfsplatte im Bereich von Durchlassöffnungen für die Bearbeitungswerkzeuge für die Zylinderbohrungen jeweils mehr als vier Durchgangsbohrungen zur Aufnahme von Spannschrauben hat, wobei die Durchgangsbohrungen so angeordnet sind, dass für jedes Zylinderkurbelgehäuse einer Gruppe mit unterschiedlichen Bohrbildern von Zylinderkopfschraubenbohrungen eine Gruppe von Durchgangsbohrungen der Fertigungshilfsplatte jeweils mit Zylinderkopfschraubenbohrungen eines Zylinderkurbelgehäuses fluchten. Auf diese Weise können Zylinderkurbelgehäuse mit unterschiedlichen Bohrbildern der Zylinderkopfschraubenbohrungen am gleichen Typ von Fertigungshilfsplatte befestigt werden. Dadurch ist eine Flexibilisierung der Fertigung im Hinblick auf Teilevielfalt bei den Zylinderkurbelgehäusen bei gleichzeitig reduzierter notwendiger Typenzahl unterschiedlicher Fertigungshilfsplatten möglich.
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Eine Fertigungshilfsplatte kann bei Bedarf in manchen Phasen des gesamten Bearbeitungsprozesses auch als reines Transporthilfsmittel für den Transport des Zylinderkurbelgehäuses zwischen unmittelbar oder mittelbar aufeinander folgenden Arbeitsstationen verwendet werden, ohne für die Werkstückhalterung genutzt zu werden. In diesem Fall kann zwar der Transport des Zylinderkurbelgehäuses z. B. aus einer ersten Arbeitsposition in eine zweite Arbeitsposition an einer nachgeschalteten zweiten Arbeitsstation unter Verwendung der Fertigungshilfsplatte in der Weise erfolgen, dass mindestens ein Transportorgan eines den Arbeitsstationen zugeordneten Transportsystems an der Fertigungshilfsplatte angreift. Die Werkstückhalteeinrichtung der ersten und/oder der zweiten Arbeitssstation kann aber unter Umgehung der Fertigungshilfsplatte direkt am Zylinderkurbelgehäuse angreifen, so dass es nicht nötig ist, die Fertigungshilfsplatte als Bestandteil der Werkstückhalteeinrichtung zu nutzen.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf eine im Rahmen des Verfahrens verwendbare Fertigungshilfsplatte.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Fertigungssystem zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, wobei dem Fertigungssystem mehrere Fertigungshilfsplatten der in dieser Anmeldung beschriebenen Art zugeordnet sind.
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Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte Ausführungsformen darstellen. Bevorzugte Ausführungsformen werden an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt durch ein mit mehreren Bearbeitungsstationen ausgestattetes Fertigungssystem zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen für Hubkolben-Brennkraftmaschinen, wobei ein mit Hilfe von Honwerkzeugen zu bearbeitendes Zylinderkurbelgehäuse mit Hilfe einer Fertigungshilfsplatte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in der Bearbeitungsposition einer Honstation gehalten wird;
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2 zeigt eine Draufsicht auf die in 1 gezeigte Fertigungshilfsplatte in der Bearbeitungsposition;
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3 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt entlang der Linie III-III in 2 mit einem an der Unterseite der Fertigungshilfsplatte angebrachten Indexbolzen, der in eine Indexbohrung an der Deckfläche des Zylinderkurbelgehäuses eingreift;
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4 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer anderen Fertigungshilfsplatte, die an der Deckfläche eines anderen Zylinderkurbelgehäuses montiert ist und im Bereich einer an der Deckfläche angebrachten Indexbohrung eine Durchlassöffnung für einen maschinenfesten Indexbolzen hat;
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5 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Zylinderkurbelgehäuses, das an der Unterseite einer anderen Fertigungshilfsplatte befestigt ist, welche zum Zusammenwirken mit Transportorganen eines Schiebetransfer-Transportsystems ausgelegt ist;
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6 zeigt eine schematische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer Fertigungshilfsplatte, die auch als „Honbrille” bei der Erzeugung einer gezielten Verspannung des Zylinderkurbelgehäuses für die Honbearbeitung genutzt werden kann, wobei das Transportsystem ein von oben zuführbares Greiforgan hat, welches in seitliche Öffnungen der Fertigungshilfsplatte eingreift; und
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7 zeigt schematisch verschiedene Phasen eines Bearbeitungsprozesses für ein Zylinderkurbelgehäuse, wobei eine Fertigungshilfsplatte vor einer ersten Feinbearbeitungsoperation montiert und erst nach Abschluss der letzten Feinbearbeitung (Fertighonen) vom Zylinderkurbelgehäuse entfernt wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 1 ist ein schematischer Vertikalschnitt durch ein Fertigungssystem 100 zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen für Hubkolben-Brennkraftmaschinen im Bereich einer als Honstation eingerichteten Bearbeitungsstation 110 gezeigt. Das Fertigungssystem 100 hat mehrere in Reihe angeordnete Arbeitsstationen, deren Aufbau und Funktion im Zusammenhang mit 7 noch näher erläutert wird. Die Honstation 110 hat einen auf einem Maschinenbett 102 des Fertigungssystems angeordneten säulenartigen Träger 112, an dem mehrere synchron antreibbare Arbeitsspindeln (Honspindeln) mit vertikaler Drehachse angebracht sind. An jeder drehbar und axial oszillierend antreibbaren Honspindel ist eine Antriebsstange 114 angekoppelt, an deren unterem freien Ende ein Honwerkzeug 118 mit Hilfe eines Gelenks begrenzt beweglich angekoppelt ist. Im Beispielsfall trägt der Träger auch einen zur Zufuhr von Kühlschmierstoff vorgesehenen Kühlmittelring 119, der auch als Einfuhrtrichter fungiert, um die Einführung des Honwerkzeuges in die jeweils zu bearbeitende Zylinderbohrung des Zylinderkurbelgehäuses zu erleichtern.
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Das zu bearbeitende Werkstück, nämlich das Zylinderkurbelgehäuse 120, hat einen in einem Gussprozess hergestellten, relativ komplex geformten Werkstückkörper, der je nach Motorentyp z. B. aus Grauguss oder aus einem Leichtmetallwerkstoff bestehen kann. Beim Gießen werden bereits die Zylinderbohrungen gebildet, die mit verschiedenen Bearbeitungsverfahren innerhalb des Fertigungssystems noch spanabhebend und gegebenenfalls auf andere Weise bearbeitet werden müssen, bevor sie als tribologisch beanspruchbare Gleitpartner für die Kolben bzw. Kolbenringe des Motors dienen können. Im Beispielsfall ist das Zylinderkurbelgehäuse für einen Reihen-Vierzylinder-Motor vorgesehen und hat vier Zylinderbohrungen 121, die von der oben liegenden Zylinderkopfseite in Richtung Ölwannenseite 123 verlaufen. An der komplex geformten Ölwannenseite wird beim Anschrauben eines Lagerdeckels eine ebenfalls zu bearbeitende Kurbelwellenlagerbohrung 124 gebildet. An der dem Zylinderkopf zugewanden Zylinderkopfseite ist eine ebene Abschlussfläche vorgesehen, die als Anlagefläche für die Zylinderkopfdichtung dient und im Allgemeinen als Deckfläche 125 bezeichnet wird.
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Das in einer Bearbeitungsposition einer Bearbeitungsstation gezeigte Zylinderkurbelgehäuse ist frei hängend an der ebenen Unterseite einer Fertigungshilfsplatte 130 befestigt. Die Befestigung erfolgt mit Hilfe von Befestigungsschrauben 127, die nach Art von Zylinderkopfschrauben ausgebildet sein können und durch Durchlassöffnungen 132 in der Fertigungshilfsplatte hindurch in die später zur Aufnahme von Zylinderkopfschrauben vorgesehenen Zylinderkopfschraubenbohrungen hineingreifen, die im Bereich der Deckfläche gleichmäßig um die Zylinderbohrung herum verteilt sind. Im Beispielsfall sind die Befestigungsschrauben nur so stark angezogen, dass das Werkstück zwar fest, aber weitestgehend deformationsfrei bzw. unverspannt an der Fertigungshilfsplatte befestigt ist.
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Die Fertigungshilfsplatte 130 des Ausführungsbeispiels hat einen einstöckigen, relativ flachen, im Wesentlichen planparallelen Plattenkörper aus einem verwindungssteifen Stahlwerkstoff. Die als Montagefläche für das Zylinderkurbelgehäuse dienende Plattenunterseite 131 ist mittels geeigneter Planfeinbearbeitungsoperationenen sehr eben und mit geringer Oberflächenrauhigkeit bearbeitet, so dass sie bei der Montage der Fertigungshilfsplatte in großflächigem Berührungskontakt mit der ebenfalls als Planfläche bearbeiteten Deckfläche 125 steht. Senkrecht zur Plattenebene ist eine Reihe von vier kreisrunden Durchlassöffnungen 133 für die Bearbeitungswerkzeuge vorgesehen, wobei der Achsabstand der Durchlassöffnungen mit dem Achsabstand (Stichmaß) der Zylinderbohrungen des Bauteils bzw. der Bauteilfamilie übereinstimmt. Der Durchmesser der Durchlassbohrungen ist etwas größer als der Durchmesser der Zylinderbohrungen (3), so dass eine kollisionsfreie Einführung der Bearbeitungswerkzeuge in die Zylinderbohrungen durch die Durchlassöffnungen hindurch möglich ist. Die Verbindungslinie der Zentren der Durchlassöffnungen verläuft parallel zur Längsrichtung der Fertigungshilfsplatte, senkrecht dazu verläuft die Querrichtung der Fertigungshilfsplatte.
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Die Fertigungshilfsplatte zeichnet sich durch einen großen seitlichen Überstand über die Deckfläche und über die Außenkontur des Zylinderkurbelgehäuses aus. Bezeichnet man die den Zylinderbohrungsachsen gemeinsame Ebene als Zylinderachsebene, so steht die Fertigungshilfsplatte in einer Querrichtung senkrecht zur dieser Zylinderachsebene an beiden Seiten um mehr als die entsprechende Breite der Deckfläche über die Deckfläche hinaus nach außen vor. Die Fertigungshilfsplatte kann in Querrichtung beispielsweise mindestens doppelt so breit oder mindestens dreimal so breit wie die Deckfläche in Querrichtung sein. Die Fertigungshilfsplatte steht im Beispielsfall beidseitig etwa symmetrisch über die seitlichen Ränder der Deckfläche so deutlich hinaus, dass an den in Querrichtung außen liegenden Abschnitten der Fertigungshilfsplatte maschinenfeste Einrichtungen für den Werkstücktransport und die Werkstückhalterung angreifen können, ohne mit dem Zylinderkurbelgehäuse zu kollidieren.
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Betrachtet man die Fertigungshilfsplatte isoliert, so fällt auf, dass ihre Breite in Querrichtung (senkrecht zur Verbindungslinie der Durchlassöffnungen) deutlich mehr als 50% der in Längsrichtung gemessenen Länge beträgt, im Beispielsfall sogar mehr als 100% dieser Länge. In der Regel beträgt die Breite mindestens 60% oder mindestens 70% oder mindestens 80% oder mindestens 90% der Länge, so dass ein für Transport- und Haltezwecke ausreichender seitlicher Überstand über die Werkstückkontur gegeben ist.
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Im Beispielsfall ist die Fertigungshilfsplatte dafür eingerichtet, mit Transportorganen eines Transportsystems 140 zusammenzuwirken, welches als Schritthubsystem ausgelegt ist. Das Transportsystem hat zwei mit lateralem Abstand parallel zueinander ausgerichtete vertikale Trägerstrukturen 141, die über die gesamte Länge des Fertigungssystems 100 verlaufen, so dass alle Bearbeitungsstationen durch einen Transport entlang der Trägerstrukturen erreichbar sind. An den einander zugewandten Innenseiten der Trägerstrukturen befinden sich in geeigneten Abständen entlang der Transportrichtung 149 (senkrecht zur Papierebene von 1) Vertikalführungen, auf denen vertikal verfahrbare Schlitten 142 mit Hilfe elektrischer Antriebe verfahrbar sind. Die Schlitten tragen nach innen gerichtete horizontale Wellen 143, an deren freien Enden Transportrollen 144 drehbar gelagert sind.
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Die Transportrollen haben eine im Querschnitt U-förmige Außenkontur und tragen in Transportrichtung langgestreckte, im Querschnitt rechteckförmige Schienenelemente 145, die auf den Rollen in Transportrichtung abrollen können und durch die U-förmige Außenkontur der Rollen gegen seitliches Verrutschen gesichert sind. Die mit lateralem Abstand zueinander angeordneten Schienen sind an geeigneten Längspositionen mit nicht gezeigten Querverstrebungen verbunden, welche jeweils eine Mutter tragen, in der eine Kugelrollspindel läuft, welche von einem Elektromotor angetrieben wird. Bei Betrieb des Elektromotors werden dementsprechend die Schienen auf den Rollen parallel zur Transportrichtung fortbewegt, wobei das Geschwindigkeitsprofil der Fortbewegung über den Elektromotor steuerbar ist.
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An den Oberseiten der Schienenelemente 145 sind indexartige Mitnehmerelemente 146 angebracht, die zum Transport der Fertigungshilfsplatte in korrespondierende Ausnehmungen 139 an der Unterseite der Fertigungshilfsplatte 130 eingreifen (siehe Detail II in 1). Somit greifen Transportorgane des Transportsystems direkt im seitlich äußeren Bereich der Fertigungshilfsplatte an dieser an und können die Fertigungshilfsplatte als Ganzes in einer Hubbewegung anheben (Betätigung der Vertikalschlitten 142) sowie in Transportrichtung fortbewegen (Bewegung der Schienen 145 auf den Rollen 144).
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Beim Transportieren des Zylinderkurbelgehäuses aus einer an einer ersten Arbeitsstation eingenommenen Arbeittsposition in eine zweite Arbeitsposition an einer nachfolgenden zweiten Arbeitsstation wird also die Fertigungshilfsplatte als funktioneller Bestandteil des Transportsystems genutzt, denn das Transportsystem greift mittelbar über die Fertigungshilfsplatte am Werkstück (Zylinderkurbelgehäuse) an. Es ist kein direkter Eingriff zwischen Transportsystem 140 und Werkstück 120 nötig und auch nicht vorgesehen. Die Fertigungshilfsplatte bietet somit eine standardisierte Schnittstelle für das Transportsystem an, so dass unterschiedlich dimensionierte Werkstücke mit dem gleichen Typ von Fertigungshilfsplatten transportiert werden können und das Transportsystem eine einfache Konstruktion haben kann.
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Die Fertigungshilfsplatte wird während des Fertigungsprozesses auch als funktioneller Bestandteil zum Halten des Werkstücks in der jeweiligen Arbeitsposition genutzt. Im Beispielsfall eines Schritthubsystems mit mehreren Bearbeitungsstationen wird das Werkstück nach Abschluss einer Bearbeitungsoperation aus der gezeigten Bearbeitungsposition zunächst durch synchrone Ansteuerung der Vertikalschlitten 142 angehoben und dann durch Ansteuerung des mit der Kugelrollspindel gekoppelten Elektromotor linear in Transportrichtung (senkrecht zur Zeichenebene) bis in den Bereich der nachfolgenden Bearbeitungsstation fortbewegt. Dort wird die Fertigungshilfsplatte mit dem daran hängenden Werkstück dann durch Abwärtsbewegung der Vertikalschlitten 142 in einer definierten Position abgesetzt. In dieser Position wird das Werkstück in seiner Bearbeitungsposition mit Hilfe der Fertigungshilfsplatte gehalten, so dass die Fertigungshilfsplatte auch als funktioneller Bestandteil der Werkstückhaltevorrichtung einer Bearbeitungsstation genutzt wird.
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Die Positionierung des Werkstücks in den jeweiligen Bearbeitungspositionen ist mit unterschiedlichen Positioniergenauigkeiten möglich. In manchen Bearbeitungsstationen kann die Positioniergenauigkeit ausreichen, die durch das Transportsystem ohne weitere Hilfsmittel erzielbar ist. Im Fall des Ausführungsbeispiels sind noch gesonderte mechanische Indexiereinrichtungen vorgesehen, um einerseits das Zylinderkurbelgehäuse mit hoher Positionsgenauigkeit an der Fertigungshilfsplatte zu befestigen (erste Indexiereinrichtung) und um andererseits die Fertigungshilfsplatte mit hoher Positioniergenauigkeit relativ zum maschinenfesten Koordinatensystem zu positionieren (zweite Indexiereinrichtung).
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Wie in dem Detail I in 1 gut zu erkennen ist, hat die Fertigungshilfsplatte 130 in demjenigen seitlichen Außenbereich, mit dem die Fertigungshilfsplatte auf einer ebenen Auflagefläche des Transportsystems aufliegt, eine am Bohrungsgrund konisch zulaufende Indexbohrung 137. Entsprechende Indexbohrungen finden sich auch an anderen Stellen im seitlichen Außenbereich der Fertigungshilfsplatte. Die mit der Trägerstruktur verbundene Werkstückhaltevorrichtung hat an ihrer Oberseite ein flaches Auflageelement 151 mit einer planen Oberfläche, aus der ein Indexbolzen 152 mit konischer Spitze nach oben herausragt. Dessen Position an der Werkstückhalteeinrichtung ist genau wie die Position der Indexbohrung 137 mit hoher Genauigkeit festgelegt. Beim Absetzen der Fertigungshilfsplatte auf die Auflagefläche greifen die Indexbolzen von unten in die Indexbohrungen der Fertigungshilfsplatte, so dass durch Formschluss auf mechanische Weise ein fester, mit hoher Genauigkeit definierter Bezug zwischen dem maschinenfesten Koordinatensystem und dem Koordinatensystem der Fertigungshilfsplatte hergestellt ist. Die Indexbohrung 137 bildet somit gemeinsam mit dem korrespondierenden Indexbolzen 152 eine zweite Indexiereinrichtung.
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Im Zusammenhang mit 2 und 3 wird erläutert, dass auf ähnliche Weise auch der Lagebezug zwischen der Fertigungshilfsplatte 130 und dem Zylinderkurbelgehäuse vollmechanisch mit Hilfe erster Indexiereinrichtungen hergestellt wird. Das Zylinderkurbelgehäuse hat im Bereich der Deckfläche 125 an vordefinierten Stellen Indexbohrungen 129, die unmittelbar nach der Planbearbeitung der Deckfläche in die Deckfläche eingebracht wurden. An der Unterseite der Fertigungshilfsplatte 130 sind an entsprechenden Stellen nach unten ragende, genau vermessene Indexbolzen 138 angebracht, die beim Aufsetzen der Fertigungshilfsplatte auf die Deckfläche in die korrespondierenden Indexbohrungen im Werkstück eingreifen und auf diese Weise für eine exakte Positionierung der Fertigungshilfsplatte auf der Deckfläche sorgen, bevor durch Eindrehen der Zylinderkopfschrauben die Fertigungshilfsplatte am Werkstück befestigt wird. Mit Hilfe dieser ersten Indexiereinrichtungen wird ein exakter Bezug des Koordinatensystems der Fertigungshilfsplatte zum Werkstückkoordinatensystem des Zylinderkurbelgehäuses hergestellt. Somit ist indirekt, d. h. vermittelt über die Fertigungshilfsplatte, auch ein exakter Bezug zwischen dem Werkstückkoordinatensystem und dem Maschinenkoordinatensystem hergestellt.
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4 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt einer anderen Ausführungsform einer Fertigungshilfsplatte 430, die auf der Deckfläche (Rand gestrichelt gezeigt) eines Zylinderkurbelgehäuses montiert ist. Diese Fertigungshilfsplatte hat im Bereich einer in der Deckfläche vorgesehenen Indexbohrung 429 eine kreisförmige Aussparung 432. Entsprechende Aussparungen finden sich im Bereich der anderen Indexbohrungen. Bei Befestigung der Fertigungshilfsplatte auf dem Zylinderkurbelgehäuse findet somit keine Indexierung statt. Durch die Aussparung ist es jedoch möglich, das Werkstück direkt (unter Umgehung der Fertigungshilfsplatte) an einem Element der Werkstückhaltevorrichtung der Bearbeitungsstation zu indexieren. Hierzu kann an der Bearbeitungsstation ein entsprechender Indexbolzen vorgesehen sein, der durch die Aussparung hindurch in die Indexbohrung 439 eingreift. Erste Indexiereinrichtungen zur lagerichtigen Positionierung der Fertigungshilfsplatte an der Werkstückhaltevorrichtung können entfallen.
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Fertigungshilfsplatten können sehr unterschiedlich gestaltet und aufgebaut sein und auch an nach unterschiedlichen Prinzipien arbeitende Transportsysteme leicht angepasst werden. 5 zeigt beispielhaft eine Fertigungshilfsplatte 530, die an ein Transportsystem 540 angepasst ist, welches nach dem Schiebetransferprinzip arbeitet. Das Transportsystem hat hierzu an den Oberseiten von vertikalen Trägerstrukturen 541 angebrachte Linearführungselemente 545, die an ihren einander zugewandten Innenseiten jeweils in Transportrichtung langgestreckte Führungsnuten mit rechteckförmigem Querschnitt haben. Der Aufnahmequerschnitt der Führungsnuten ist an die Dimensionen der außen liegenden Randbereiche der Fertigungshilfsplatte 530 so angepasst, dass diese weitgehend spielfrei zwischen den Führungselementen entlang der Führungsnuten geführt werden kann. Für die Fortbewegung der Fertigungshilfsplatte mit dem daran angebrachten Werkstück hat das Transportsystem in geeigneten Abständen angebrachte Schwenkhebel 547, die mit Hilfe eines elektrischen Antriebs parallel zur Transportrichtung (senkrecht zur Zeichenebene) verfahren werden können und als Mitnehmer für die Fertigungshilfsplatten dienen. In der Fertigungshilfsplatte kann hierzu eine langlochartige Ausnehmung vorgesehen sein, in die der Schwenkhebel eingreifen kann, wenn er aus der mit durchgezogenen Linien gezeigten ausgerückten Positionen in die mit strichpunktierten Linien gezeigte eingerückte Mitnahmeposition verschwenkt wurde. Da das Prinzip des Schiebetransfers im Übrigen bekannt ist, wird auf eine weitergehende Beschreibung hier verzichtet.
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Anhand von 6 werden weitere Varianten einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten erläutert. Eine Besonderheit des dortigen Transportsystems 640 besteht darin, dass dieses eine geeignete Anzahl von vertikal verfahrbaren Greiforganen 645 hat, die an einer nicht gezeigten Schiene oberhalb der Bewegungsebene der Fertigungshilfsplatte linear verfahrbar und vertikal anhebbar bzw. absenkbar sind. Das Greiforgan 645 hat an gegenüberliegenden Seiten jeweils einen nach unten ragenden Arm, wobei im Bereich der freien Enden der Arme nach innen gerichtete Greifbolzen 646 vorgesehen sind. Die Arme sind mit Hilfe eines nicht gezeigten Antriebs horizontal aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegbar. An der Fertigungshilfsplatte 630 sind im Bereich der seitlichen Längskanten Transportlöcher eingebracht, die für einen Eingriff der Greifbolzen 646 dimensioniert sind. Zum Greifen der Fertigungshilfsplatte wird das Greiforgan bis in die gezeigte untere Stellung abgesenkt und anschließend werden die Greifarme nach innen aufeinander zu verfahren, bis die Greifbolzen in die korrespondierenden Bohrungen in den Seiten der Fertigungshilfsplatte eingreifen. Die Fertigungshilfsplatte mit dem daran hängenden Werkstück kann dann mit Hilfe des Greiforgans angehoben und in Transportrichtung fortbewegt werden. Auch bei dieser Ausführungsform ist gezeigt, dass korrespondierende erste Indexiereinrichtungen an der Werkstückhalteeinrichtung und an der Fertigungshilfsplatte vorgesehen sein können, die beim Absenken der Fertigungshilfsplatte in einer Bearbeitungsposition durch formschlüssigen Eingriff von Indexbolzen in Indexbohrungen dafür sorgen, dass die Fertigungshilfsplatte lagerichtig in Bezug auf das maschinenfeste Koordinatensystem positioniert wird.
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Eine Besonderheit der Fertigungshilfsplatte 630 besteht dann, dass diese in ihren in Kontakt mit der Deckfläche stehenden mittleren Teil eine wesentlich größere Materialstärke hat als in den nach außen ragenden Seitenteilen. Hierdurch wird im mittleren Bereich eine gegen Verwindungen besonders steife Konstruktion geschaffen. Dadurch ist es möglich, die Fertigungshilfsplatte nach Art konventioneller Honbrillen als Verspannelement zu nutzen, um das Werkzeug mit Hilfe der eingeschraubten Zylinderkopfschrauben oder ähnlichen Schraubelementen in einen definierten Verspannungszustand zu bringen. Dieser kann insbesondere so definiert sein, dass er im Wesentlichen dem Verspannungszustand des Zylinderkurbelgehäuses während des Betriebs des Zylinderkurbelgehäuses, d. h. dem betriebsfertig montierten Motor entspricht.
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Besonders bei dieser Ausgestaltung kann es vorteilhaft sein, wenn die Fertigungshilfsplatte nicht aus einem einzigen Stahlstück gefertigt ist, sondern mehrteilig aufgebaut ist. Beispielsweise können die nach außen ragenden flachen Abschnitte 632 mittels Schrauben oder auf andere Weise lösbar mit dem verstärkten Mittelteil 635 verschraubt sein.
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Anhand von
7 wird eine von zahlreichen möglichen Verfahrensvarianten bei der Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses mit Hilfe einer Fertigungshilfsplatte erläutert. Die Figur zeigt schematisch von links nach rechts zeitlich aufeinanderfolgende Phasen der Bearbeitung ein und desselben Zylinderkurbelgehäuses
720. Bei der Herstellung wird zunächst ein Rohling gegossen, der anschließend mit unterschiedlichen spanabhebenden Bearbeitungsverfahren bearbeitet wird. Frühzeitig im Bearbeitungsprozess wird die zur Befestigung des Zylinderkopfes vorgesehene Zylinderkopfseite des Gussteils mit Hilfe einer ein- oder mehrstufigen Planfeinbearbeitungsoperation bearbeitet, um eine ebene Deckfläche
735 zu erzeugen, wie es bei Position I gezeigt ist. Ein hierzu geeignetes Flachschleifverfahren ist in der
DE 10 2007 021 659 A1 beschrieben, deren im Offenbarungsgehalt insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.
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Anschließend werden, wie bei Position II gezeigt, in die Deckfläche in einer Bohroperation unter anderem Indexbohrungen eingebracht, deren Position in Bezug auf das Werkstückkoordinatensystem sehr genau definiert ist. Die Erzeugung von Indexbohrungen ist normalerweise eine von mehreren unterschiedlichen Bearbeitungsschritten der Vorbearbeitung des Zylinderkurbelgehäuses. Beispielsweise können bei der Vorbearbeitung auch Gewindebohrungen an unterschiedlichen Stellen des Zylinderkurbelgehäuses angebracht werden. In der Regel wird bei der Vorbearbeitung auch an der Ölwannenseite der Lagerdeckel montiert, der gemeinsam mit gehäuseseitigen Lagerstegen die Kurbelwellenlagerbohrung 724 bildet. Auch das Vorbohren der Zylinderbohrungen findet häufig in dieser Phase der Bearbeitung statt.
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Bei der beschriebenen Vorgehensweise wird unmittelbar im Anschluss an die Vorbearbeitung die Fertigungshilfsplatte 730 auf die ebene Deckfläche montiert. Diese wird dadurch bei allen nachfolgenden Bearbeitungsoperationen vor Beschädigung geschützt und gleichzeitig kann nun der Werkstücktransport und die Werkstückhalterung unter Verwendung der Fertigungshilfsplatte erfolgen, die dabei eine standardisierte Schnittstelle zu maschinenseitigen Elementen des Fertigungssystems bereitstellt.
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Im Beispielsfall findet bei Position III eine sogenannte Positionshonoperation statt. Hierzu wird das Werkstück mit Hilfe von Indexiereinrichtungen in eine in Bezug auf das maschinenfeste Koordinatensystem genau definierten Position gebracht und fixiert. Die Positionierung erfolgt hier vorzugsweise mit einer Genauigkeit von einem Mikrometer oder darunter. Hierbei kann die indirekte Indexierung über die Fertigungshilfsplatte (vergleiche 1 bis 3) oder eine direkte Indexierung des Werkstücks an der Maschine (vergleiche 4) genutzt werden. Das Honwerkzeug ist bei dieser Bearbeitungsoperation starr mit einer sehr steif ausgelegten Arbeitsspindel 714 verbunden, so dass durch die Position der Drehachse der Arbeitsspindel auch die Position der durch Honen bearbeiteten Bohrung nach Abschluss dieser Positionshonoperation bestimmt wird.
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Bei anderen Ausführungsformen wird die exakte Lage der Zylinderbohrungen mit Hilfe einer Feinbohroperation oder durch Feinspindeln festgelegt.
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Nach dieser positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation folgen im Beispielsfall noch zwei nachgeschaltete Honoperationen, um den Innenflächen der Zylinderbohrungen die letztendlich angestrebte Form und Oberflächenbeschaffenheit zu geben. Im Beispielsfall wird bei Position IV eine Vorhonoperation und bei Position V eine Fertighonoperation durchgeführt. Es können auch mehr als zwei Honoperationen aufeinanderfolgend durchgeführt werden, beispielsweise ein Vorhonen, ein Zwischenhonen und ein Fertighonen, was beispielsweise auch als Plateauhonoperation ausgestaltet sein kann.
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Nach Abschluss der letzten Honoperation wird die Fertigungshilfsplatte entfernt, wie es bei Position VI gezeigt ist. Das fertig bearbeitete Zylinderkurbelgehäuse kann dann eventuell noch gewaschen werden, bevor erste Anbauteile am Zylinderkopfgehäuse montiert werden. Auch für die Waschoperation kann die Fertigungshilfsplatte gegebenenfalls noch am Werkstück verbleiben.
