DE102013222359A1

DE102013222359A1 - Verfahren zur Feinbearbeitung von Wellen, insbesondere Kurbelwellen, sowie Feinbearbeitungsanlage dafür

Info

Publication number: DE102013222359A1
Application number: DE201310222359
Authority: DE
Inventors: Uwe Kästner; Phillip Utsch; Marcel Bosch; Bernd Nagel; Wolfgang Märker
Original assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH; Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: DE102013222359B4; WO2015063026A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Feinbearbeitung von Wellen, insbesondere Kurbelwellen, werden in einer oder mehreren positionsbestimmenden Bearbeitungsoperationen Lagerabschnitte der Welle bezüglich ihrer Position an der Welle definiert. Nach einer letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation werden die Lagerabschnitte der Welle in mindestens einer Finish-Operation durch eine Finish-Bearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide bearbeitet. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch eine Messung mindestens eines Lagerabschnitts während und/oder nach Abschluss der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation in einer Mess-Operation zur Erzeugung eines Messsignals, das mindestens einen Parameter repräsentiert, der eine Eigenschaft des Lagerabschnitts beschreibt, sowie durch eine Steuerung der Finish-Operation in Abhängigkeit von dem Messsignal. Die Finish-Operation kann dann als geregelte Bearbeitungsoperation ausgehend von definierten und bekannten Anfangsbedingungen durchgeführt werden, wodurch die Werkstückqualität gezielt und zügig auf die gewünschte Endqualität gebracht werden kann.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung von Wellen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Feinbearbeitungsanlage gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 15. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Herstellung einbaufertiger Kurbelwellen oder Nockenwellen.
Wellen der hier betrachteten Art sind Maschinenelemente, die dafür konstruiert sind, eine Drehbewegung der Welle in eine linear oszillierende Bewegung eines oder mehrerer mit der Welle gekoppelter Elemente umzuwandeln oder umgekehrt. Eine Kurbelwelle setzt in einer Kolbenmaschine die oszillierend lineare Bewegung eines oder mehrerer Kolben mit Hilfe von Pleuelstangen in eine Drehbewegung um (oder umgekehrt). Eine Nockenwelle ist ein Maschinenelement in Form eines Stabes, auf dem mindestens ein gerundeter, aber nicht-rotationssymmetrischer Vorsprung, der Nocken, angebracht ist. Dreht sich die Welle um die eigene Achse, wird durch den oder die auf ihr angebrachten Nocken diese Drehbewegung wiederholt in eine kurze Längsbewegung eines gekoppelten Maschinenelementes, z. B. eines Ventilstößels, umgewandelt. Eine Welle hat einen oder mehrere zu ihrer Drehachse zentrische, mehr oder weniger rotationssymmetrisch geformte Lagerabschnitte, an denen die Welle für die Drehung gelagert wird. Kurbelwellen haben zusätzlich zu den zentrischen Lagerabschnitten (Hauptlager) noch exzentrische Lagerabschnitte (Hublager), an denen die Pleuel gelagert sind.
Kurbelwellen werden traditionell in einem Verfahren hergestellt, bei dem der Materialabtrag von den Lagerabschnitten der urgeformten, also gegossenen oder geschmiedeten Kurbelwelle, in mehreren aufeinander folgenden Bearbeitungsfolgen durchgeführt wird. In einer ersten Bearbeitungsfolge wird eine Grobbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide und Materialabträgen im Millimeterbereich (z. B. mittels Drehen, Drehräumen, Innenrundfräsen und Außenfräsen, Drehfräsen o. dgl.) durchgeführt. Die gewünschten Lagerdurchmesser werden mit einem Aufmaß von einigen Zehntelmillimetern erzeugt. An diesen Schritt schließt sich in der Regel ein thermischer oder mechanischer Härtevorgang an. Darauf folgt die Feinbearbeitung, bei der mittels Schleifwerkzeugen, insbesondere an den Hauptlagern und an den Hublagern der Kurbelwelle, die gewünschten Maße erzeugt werden. Dabei wird typischer Weise Material im Zehntelmillimeterbereich abgetragen. An diese Bearbeitungsfolge schließen sich noch Arbeitsschritte zum Finishen an, bei denen die gewünschte Oberflächengüte erzeugt wird.
Dieser Bearbeitungsablauf wurde wegen der erforderlichen Schleifoperationen gelegentlich als nachteilig angesehen. Daher gibt es Bestrebungen, die Schleifoperationen aus der Fertigungsfolge zu eliminieren.
Aus der DE 197 14 677 C5 (entsprechend EP 1 007 276 B1 ) ist ein Verfahren zur Bearbeitung von Kurbelwellen bekannt, bei dem nach dem Urformen ein Materialabtrag nur durch spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide und anschließendem Finishen erfolgt. Die Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide wird dann beendet, wenn bestimmte Werkstückparameter erreicht sind, wie etwa eine bestimmte maximale Durchmesserabweichung, eine bestimmte maximale Rundheitsabweichung und eine bestimmte Welligkeit der Rundheitsabweichung. Es werden mehrere Möglichkeiten zur Ermittlung der Durchmesserabweichung beschrieben. Unter anderem kann die Durchmesserabweichung der Lagerstellen von Kurbelwellen mittels Messmaschinen in mehreren Ebenen gemessen werden, wobei hieraus sämtliche Einzeldurchmesser, in jeder gewünschten Winkellage, bekannt sind und daraus ein gemittelter Durchmesser errechnet werden kann.
In der EP 2 338 625 A1 wird ein Verfahren zum Bearbeiten der Lagerabschnitte von Haupt- und Hublagern von Kurbelwellen sowie der jeweils an die Lagerabschnitte angrenzenden Seitenflächen nach dem Vorbearbeiten einer Kurbelwelle beschrieben. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei Kurbelwellen mit unmittelbarem Übergang der Lagerabschnitte in die Seitenflächen, d. h. ohne Einstiche, die Lagerabschnitte und angrenzende Teilabschnitte der Seitenflächen gehärtet, danach die gehärteten Lagerabschnitte drehgefräst, die gehärteten angrenzenden Teilabschnitte der Seitenflächen feindrehgefräst, und die drehgefrästen Lagerabschnitte auf Fertigmaß feindrehgeräumt werden. Es kann vorgesehen sein, dass die hartfeindrehgeräumten Lagerabschnitte danach noch nach Form und Maß gefinisht werden. Es ist erwähnt, dass die Drehfräsmaschine eine integrierte Passlager-Vermessung haben kann und dass sie optional noch eine integrierte Messsteuerung oder eine Messsteuerung mittels Post-Prozess-Messung mit integrierter Passlagervermessung aufweisen kann.
Aus der DE 103 54 690 A1 ist ein Verfahren zum Bearbeiten von Kurbelwellen bekannt, bei dem die Werkstückkontur und/oder der Werkzeugrundlauf vor der Bearbeitung mit einer Pre-Prozessmessung vermessen werden. Während der Bearbeitung erfolgt eine In-Prozessmessung am Werkstück und/oder am Werkzeug. Zur Erzielung von Soll-Konturen am Werkstück erfolgen Maßkorrekturen, die auf den Messwerten der Pre-Prozessmessung und der In-Prozessmessung basieren.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine entsprechende Feinbearbeitungsanlage zur Feinbearbeitung von Kurbelwellen, Nockenwellen oder anderen Wellen so zu verbessern, dass bei mindestens gleichbleibender Qualität der fertig bearbeiteten Wellen eine wirtschaftlichere Fertigung möglich wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Feinbearbeitungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 15 bereit. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei den hier betrachteten Verfahren zur Bearbeitung von Wellen wird eine Welle nach dem Urformen, d. h. nach dem Gießen oder Schmieden, zunächst durch spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide grob bearbeitet, um das Werkstück für nachfolgende Bearbeitungsschritte durch entsprechenden Materialabtrag vorzubereiten. Bei der Grobbearbeitung können unterschiedliche Verfahren, wie beispielsweise Drehen, Drehräumen, Innenrundfräsen, Außenfräßen, Drehfräsen und/oder andere Verfahren genutzt werden, um einen relativ großen Materialabtrag (typischerweise im Millimeterbereich) innerhalb kurzer Bearbeitungszeiten zu erreichen.
Bei gattungsgemäßen Verfahren werden danach mithilfe einer oder mehrerer positionsbestimmender Bearbeitungsoperationen einige oder alle Lagerabschnitte der Welle bezüglich ihrer Position an der Welle so genau definiert bzw. erzeugt, dass die Position innerhalb der Toleranzen der jeweiligen Soll-Position liegt. Die Position von Lagerabschnitten und anderen Strukturelementen einer Welle wird dabei in Bezug auf ein werkstückfestes Koordinatensystem definiert. Für eine positionsbestimmende Bearbeitung werden Bearbeitungswerkzeuge und/oder die Wellen z. B. mittels NC-gesteuerter Maschinenachsen derart entlang von Soll-Bewegungsbahnen relativ zueinander bewegt, dass die Position der bearbeiteten Werkstückabschnitte durch die Bearbeitung, beispielsweise durch über den Umfang ungleichmäßig verteilten Materialabtrag, verändert werden kann. Eine positionsbestimmende Bearbeitungsoperation kann sowohl durch spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide (beispielsweise Drehen, Fräsen etc.) als auch durch Bearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide, insbesondere durch eine Schleifoperation mit gesteuert bewegbarem Schleifwerkzeug, durchgeführt werden.
Die Fertigungsfolge umfasst eine letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation, also eine letzte Bearbeitungsoperation, mit der die Position von Werkstückabschnitten aufgrund des Arbeitsprinzips dieser Bearbeitungsoperation zuletzt gezielt verändert und an die Soll-Position geführt werden kann. Es ist dabei nicht zwingend, dass die Position mit dieser Bearbeitungsoperation auch tatsächlich signifikant verändert wird. Eine ggf. erforderliche Verlagerung der Position kann auch schon in vorausgegangenen positionsbestimmenden Bearbeitungsoperationen abgeschlossen worden sein. Die letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation ist diejenige Material abtragende Bearbeitungsoperation, die der Übergabe an die Finish-Operation unmittelbar vorausgeht.
Nach der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation werden bei gattungsgemäßen Verfahren einige oder alle Lagerabschnitte der Welle in mindestens einer Finish-Operation durch eine Finish-Bearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide bearbeitet. Das Finishen, also die Feinbearbeitung mittels Finishen, bezeichnet hierbei ein besonderes spanendes Feinbearbeitungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, welches gelegentlich auch als Superfinishen bezeichnet wird.
Durch Finishen können Werkstückoberflächen von rotationssymmetrischen Werkstückabschnitten an Werkstücken wie Kurbelwellen, Nockenwellen, Getriebewellen oder anderen Bauteilen für Kraft- und Arbeitsmaschinen zur Erzeugung einer gewünschten Oberflächenfeinstruktur bearbeitet werden. Beim Finishen wird ein mit körnigem Schneidmittel besetztes Finish-Werkzeug (Finish-Stein oder Finish-Band) an die zu bearbeitende Umfangsfläche angedrückt. Zur Erzeugung der für den Materialabtrag erforderlichen Schnittgeschwindigkeit wird in der Regel das Werkstück um seine Werkstückachse gedreht. Bei manchen Verfahrensvarianten des Finishens wird gleichzeitig eine parallel zur Werkstückachse oszillierende Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem an der Umfangsfläche anliegenden Finish-Werkzeug erzeugt. Durch die Kombination der Rotationsbewegung des Werkstückes und der überlagerten Oszillationsbewegung kann ein so genanntes Kreuzschliffmuster erzeugt werden, wodurch die bearbeiteten Werkstückoberflächen z. B. als Laufflächen für Gleitlager oder Wälzlager oder dergleichen besonders geeignet sind.
Im Unterschied zum Schleifen (das ebenfalls mit geometrisch unbestimmten Schneiden durchgeführt wird) ist das Finishen ein thermisch neutrales Bearbeitungsverfahren, bei dem keine mit Mikrorissen oder Oberflächenspannungen durchsetzte Weichhaut entsteht. Das Finishen wird traditionell häufig als letztes spanabhebendes Bearbeitungsverfahren einer Prozesskette eingesetzt, um die Weichhaut zu entfernen, die ursprüngliche Gefügestruktur wieder freizulegen, den Traganteil der aufgerauten Oberflächenstruktur zu erhöhen und die Bauteilgeometrie bezüglich Rundheit und kurzwelligen Fehlern in Axialrichtung und Umfangsrichtung zu verbessern.
Das Finishen ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Finish-Operation das Finish-Werkzeug dem zu bearbeitenden Werkstückabschnitt folgt, falls sich dieses entlang einer Bewegungsbahn bewegt. Das Finishen gehört somit prinzipbedingt nicht zu den positionsbestimmenden Bearbeitungsoperationen, da mittels Finishen keine substanziellen Änderungen der Position von bearbeiteten Werkstückabschnitten erreicht werden können.
Bei Verfahren gemäß der beanspruchten Erfindung wird an mindestens einem Lagerabschnitt der Welle während und/oder nach Abschluss der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation in einer Mess-Operation eine Messung durchgeführt, um (mindestens) ein Messsignal zu erzeugen, welches mindestens einen Parameter repräsentiert, der eine Eigenschaft des jeweils gemessenen Lagerabschnitts beschreibt. Die Finish-Operation wird dann in Abhängigkeit von diesem Messsignal oder einem daraus abgeleiteten Signal oder Messwert gesteuert.
Bei der Feinbearbeitungsanlage wird dies dadurch realisiert, dass die Feinbearbeitungsanlage mindestens eine Messvorrichtung zur Durchführung der genannten Messung aufweist und eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer Finish-Vorrichtung dazu konfiguriert ist, den Betrieb der Finish-Vorrichtung in Abhängigkeit von dem Messsignal bzw. einem daraus abgeleiteten Signal oder Messwert zu steuern. Hierzu sind die Steuereinrichtungen der Messvorrichtung und der Finish-Vorrichtung signalleitend z. B. über Kabel miteinander verbunden.
Bei dem Verfahren sorgen die dem Finishen vorgeschalteten Bearbeitungsoperationen dafür, dass alle funktionsrelevanten Werkstückabschnitte im Rahmen der Toleranzen die richtige Position haben. Weiterhin werden diese Bearbeitungsoperationen so durchgeführt, dass gewisse Übergabetoleranzen bezüglich der Makroform der Lagerabschnitte und deren Oberfläche erreicht werden. Makroform und Oberfläche werden dann mittels Finishen so verbessert, dass die Endtoleranzen für das einbaufertige Werkstück erreicht werden.
Die Mess-Operation hat hierbei eine Mehrfachfunktion. In Bezug auf die letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation handelt es sich um eine In-Prozess-Messung und/oder um eine Post-Prozess-Messung, durch die das Bearbeitungsergebnis am Ende der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation erfasst wird. In Bezug auf die nachfolgende Finish-Operation fungiert die Mess-Operation gleichzeitig als Pre-Prozessmessung. Die Finish-Vorrichtung bzw. ihre Steuerungseinheit erhält aufgrund dieser vorgeschalteten Messung relevante quantitative Informationen über den Zustand der Welle vor Beginn der Finish-Operation.
Dies eröffnet die Möglichkeit, die Finish-Operation als geregelte Bearbeitungsoperation ausgehend von definierten und bekannten Anfangsbedingungen durchzuführen, wodurch die Werkstückqualität gezielt und zügig auf die gewünschte Endqualität gebracht werden kann.
Für die Optimierung der Schnittstelle am Übergang zwischen der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation und der nachfolgenden (nicht positionsverändernden) Finish-Operation können mithilfe der Erfindung die Besonderheiten der jeweiligen Bearbeitungsverfahren besser berücksichtigt und Bearbeitungsaufgaben zwischen den Verfahren besser verteilt werden. Wie bereits erwähnt, kann mithilfe einer Finish-Operation bzw. einer Finish-Vorrichtung normalerweise nicht einfach ein zu erreichendes Soll-Maß eines Lagerabschnitts zum Beispiel durch Programmierung eines NC-Achsen-Sollwerts erzeugt werden. Vielmehr erfolgt die Erzeugung eines gewünschten Soll-Maßes am Ende der Finish-Bearbeitung hauptsächlich durch Festlegung der Parameter Anpresskraft und Verweilzeit der verwendeten Finish-Werkzeuge. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun möglich, diese und/oder andere Parameter in Abhängigkeit von gemessenen Eingangsparametern, zum Beispiel von der Größe des Durchmessers eines Lagerabschnitts am Ende der vorgeschalteten Bearbeitungsoperationen, festzulegen. Der Finish-Prozess kann optimiert werden, wenn der Durchmesser des Lagerabschnitts am Ende der Vorbearbeitung bekannt ist. Eine Pre-Prozessmessung des Durchmessers eines Lagerabschnitts kann somit die Finish-Operation befähigen, eine gezielte Durchmesserbearbeitung durchzuführen. So kann ein vorab ermittelter Durchmesser beispielsweise genutzt werden, um in einem kraft- und verweilzeitgesteuerten Finish-Prozess und/oder in einem inkrementell-weggeregelten Finish-Prozess einen Durchmesser so zu bearbeiten bzw. zu reduzieren, dass er am Ende der Zeichnungstoleranz entspricht.
Auf Seiten der Vorbearbeitung, insbesondere bei der letzten positionsbestimmen Bearbeitungsoperation, ist es nicht immer oder nur bei erheblichem Aufwand möglich, an den bearbeiteten Lagerabschnitten die laut Fertigteilzeichnung üblicherweise geforderten Formen der Lagerabschnitte zu erreichen, insbesondere hinsichtlich Durchmessertoleranz, Zylinderform und/oder Balligkeit. Wenn die Finish-Operation durch Verwendung von Messwerten aus einer Pre-Prozessmessung in der Lage ist, einige oder alle dieser Formparameter in gewissem Umfang zu korrigieren, können die Anforderungen an die letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation reduziert werden, wodurch insgesamt günstigere Fertigungsprozesse realisierbar sind.
Unter anderem aus diesen Gründen ist bei bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, dass bei der Messung des Lagerabschnitts mindestens ein Formparameter bestimmt wird, der eine Eigenschaft der Makroform des Lagerabschnitts repräsentiert. Der Formparameter ist dabei ausgewählt aus der Gruppe: Durchmesser des Lagerabschnitts an mindestens einer Axialposition des Lagerabschnitts; Rundheit des Lagerabschnitts an mindestens einer Axialposition des Lagerabschnitts; und Mantellinienform des Lagerabschnitts. Aus einem gemessenen Durchmesser kann eine Durchmesserabweichung bestimmt werden. Die Durchmesserabweichung ist dabei die Abweichung vom vorgegebenen Solldurchmesser eines Lagerabschnitts. Die Rundheit des Lagerabschnitts beschreibt eine Abweichung von der kreisrunden Sollkontur des Lagerabschnitts. Die Mantellinienform gibt den axialen Verlauf der Querschnittsform qualitativ oder quantitativ an.
Einzelne, mehrere oder alle dieser Formparameter können bei der Steuerung der Finish-Operation berücksichtigt werden, um die Finish-Operation so zu steuern, dass die entsprechenden Eigenschaften der Makroform des Lagerabschnitts am Ende der Finish-Operation ihren Sollwerten im Rahmen der Toleranz entsprechen. Eine die Makroform verändernde Finish-Operation wird dabei vorzugsweise als weggeregelte Finish-Operation durchgeführt, die es erlaubt, den Zustellweg des Finish-Werkzeugs gezielt vorzugeben. Dazu wird der Zustellweg eines Finish-Werkzeuges in Abhängigkeit von mindestens einem Formparameter gesteuert.
Bei manchen Ausführungsformen wird auch die letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation in Abhängigkeit von dem Messsignal gesteuert. Hierzu kann die Bearbeitungsvorrichtung, die die letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation ausführt, eine Steuereinrichtung aufweisen, die dazu konfiguriert ist, den Betrieb dieser Bearbeitungsvorrichtung in Abhängigkeit von dem Messsignal zu steuern. Diese Steuereinrichtung ist mit der Steuereinrichtung der Messvorrichtung signalleitend z. B. über Kabel oder drahtlos, verbunden. Messergebnisse der Messung können somit zur Verbesserung der Genauigkeit bei der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation herangezogen werden, indem beispielsweise bei korrigierbaren Abweichungen vom gewünschten Ausgangsmaß und/oder der gewünschten Ausgangsposition Korrekturmaßnahmen bei der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation durchgeführt werden. Bei dieser Verfahrensvariante werden somit Messwerte der Messung in beide Richtungen der Prozesskette, also sowohl zur vorgeschalteten letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation als auch zur nachgeschalteten Finish-Operation übertragen und können zur Optimierung der jeweiligen Operationen genutzt werden.
Als letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation kann eine Schleifoperation, also eine Feinbearbeitung mit geometrisch unbestimmten Schneiden, vorgesehen sein. Der beim Schleifen erzeugte Materialabtrag erfolgt nass, d. h. unter ständiger Beaufschlagung mit Kühlschmiermitteln, um Werkstücküberhitzung zu vermeiden. Der anfallende Schleifschlamm wird dann entsorgt.
In vielen Fällen sind Ausführungsformen günstig, bei denen als letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation eine spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide durchgeführt wird, so dass zwischen einer letzten Bearbeitungsoperation mit geometrisch bestimmter Schneide und der Finish-Operation keine Schleifbearbeitung erfolgt. Durch die Eliminierung von Schleifoperationen bei der Feinbearbeitung können die mit Schleifoperationen verbundenen Nachteile, zum Beispiel teure Entsorgung von problematischem Schleifschlamm, Gefahr der Werkstücküberhitzung, Nutzung von Kühlschmiermitteln, vermieden werden. Schleifmaschinen können eingespart werden.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn als letzte Bearbeitungsoperation mit geometrisch bestimmter Schneide eine Innenfräsoperation, eine Außenfräsoperation oder eine Orthogonal-Drehfräsoperation durchgeführt wird. Diese Verfahren ermöglichen eine Werkzeugkompensation, die auf Basis der durch die Messung erhaltenen Messsignale gezielt im Sinne einer Optimierung der Bearbeitungsoperation durchgeführt werden kann. Dadurch kann die Präzision bei der Erzeugung der Form der Lagerabschnitte und der Position der Lagerabschnitte verbessert werden. Als Alternativen kommen beispielsweise das Drehen, das Strehlen (siehe z. B. DE 41 35 681 C3 ) oder das Räumen als letzte Bearbeitungsoperation mit geometrisch bestimmter Schneide in Betracht.
Insbesondere im Hinblick auf diejenigen Ausführungsformen, die eine Rückkopplung der Messwerte bzw. Messsignale zur letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation vorsehen, ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, dass bei der Messung des Lagerabschnitts mindestens ein Positionsparameter bestimmt wird, der eine Position des Lagerabschnitts in Bezug auf ein werkstückfestes Koordinatensystem repräsentiert. Positionsparameter können insbesondere zur Charakterisierung der Positionen von Hublagerabschnitten an Kurbelwellen, also von exzentrischen Lagerabschnitten, genutzt werden, um die Hubabweichung und die Winkelabweichung zu quantifizieren.
Um den axialen Verlauf einer Messgröße parallel zur Werkstückachse bzw. zur Achse des jeweiligen Lagerabschnitts zu erfassen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass während der Mess-Operation ein Lagerabschnitt in mindestens drei axial versetzten Messebenen gemessen wird. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, Stützpunkte für die Bestimmung der Mantellinienform zu erhalten, um festzustellen, ob der Lagerabschnitt eine zylindrische, eine tonnenförmige konvexe Form, eine konkave Form oder eine kegelige Form aufweist.
Die Welle kann während der Durchführung der Messung ruhen, wodurch gegebenenfalls besonders präzise Messergebnisse erhältlich sind. Bei anderen Varianten wird die Welle während der Durchführung der Messung in unterschiedliche Drehlagen gedreht und die Messung an der Welle wird winkelaufgelöst in der Weise durchgeführt, dass mindestens ein Parameter in Abhängigkeit von der Drehlage bestimmt wird. Hierdurch kann eine Kontur eines Lagerabschnitts in Umfangsrichtung bzw. der Durchmesser in verschiedenen Winkellagen ermittelt werden. Für die vorgeschaltete letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation, beispielsweise eine Fräsoperation, kann durch Rückführung entsprechender winkelaufgelöster Messwerte eine gezielte Korrektur des Bearbeitungsprozesses durchgeführt werden. Beispielsweise können Bewegungen von relevanten NC-Achsen zu Korrektur der Wellen eingesetzt werden. Winkelaufgelöst erfasste Messwerte können auch zur Optimierung und/oder Korrektur der nachfolgenden Finish-Operation verwendet werden. Eine winkelaufgelöste Messung kann ggf. auch an einer ruhenden, d. h. nicht drehenden Welle durchgeführt werden, z. B. mittels eines optischen Messverfahrens.
Wenn die letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation mit geometrisch bestimmter Schneide, zum Beispiel mittels Fräsen, durchgeführt wird, wird diese Bearbeitungsoperation bei bevorzugten Varianten ohne Verwendung von Kühlschmierstoffen, also im Wege der Trockenbearbeitung, durchgeführt. Hierdurch können Einrichtungen zur Bereitstellung von Kühlschmiermitteln und zur Entsorgung von Kühlschmiermitteln und Bearbeitungsrückständen eingespart werden. (Bei der Finish-Operation wird dagegen vorzugsweise mit Kühlschmierstoff gearbeitet.)
Im Gegensatz zum Schleifen, bei dem mit temperiertem Kühlmittel gearbeitet wird und somit auch die Werkstücke auf gleicher Temperatur gehalten werden können, ist es beim trockenen Fräsen (Fräsoperation in Trockenbearbeitung) kaum vermeidbar, dass ein Teil der Prozesswärme in das Werkstück fließt und dieses dadurch aufheizt. Dabei können sich die bearbeiteten Lagerabschnitte deutlich über Raumtemperatur erwärmen in einem Ausmaß, welches gegebenenfalls die Messwerte der Messung signifikant beeinflusst. Bei manchen Ausführungsformen ist daher vorgesehen, dass bei der Messung des Lagerabschnitts mindestens ein Temperaturparameter bestimmt wird, der eine Temperatur des Lagerabschnitts oder eine Temperaturverteilung innerhalb des Lagerabschnitts repräsentiert. Die am aufgeheizten Werkstück ermittelten geometrischen Messwerte können dann gegebenenfalls mithilfe der dadurch bekannten Temperatur auf entsprechende Messwerte bei Umgebungstemperatur korrigiert werden, so dass temperaturbedingte Messungenauigkeiten vermieden werden können.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, im Prozessablauf, vorzugsweise in der Automation, eine Kühloperation bzw. Kühlstation zur Abkühlung der Welle zwischen dem Abschluss der letzten positionsbestimmenden Bearbeitung und einem Beginn der Messung einzufügen. Hierbei kann eine passive Abkühlung vorgesehen sein, bei der die Wellen beispielsweise nach der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation zunächst für ein bestimmtes Zeitintervall (Wartezeit, Abkühlzeit) in einem Zwischenspeicher oder Puffer gelagert werden, um ohne Beeinträchtigung der Taktzeiten eine allmähliche Abkühlung auf bzw. in die Nähe der Umgebungstemperatur oder ein anderes geeignetes konstantes Temperaturniveau zu ermöglichen. Es ist auch möglich, Einrichtungen zur aktiven Abkühlung der Wellen vor Beginn der Messung vorzusehen, beispielsweise durch Beaufschlagung mit gegebenenfalls gekühlter Druckluft oder einem anderen Kühlfluid.
Nach den Erfahrungen der Erfinder wird das Verfahren besonders wirtschaftlich durchführbar, wenn vor der Übergabe von der letzten positionsbestimmenden Bearbeitung zur Finish-Bearbeitung für ausgewählte Werkstückparameter bestimmte Übergabebedingungen alternativ oder kumulativ eingehalten werden. Danach sollte z. B. die gemittelte Rauhtiefe R_z vorzugsweise im Bereich von ca. 4 μm bis ca. 10 μm liegen. Derartig niedrige Rauheitswerte sind z. B. mittels Innenfräsen oder Orthogonal-Drehfräsen bei guter Einstellung regelmäßig erzielbar und erlauben es andererseits, in der nachgeschalteten Finish-Operation die spezifizierten Werte für Oberfläche und Rauheit mit kurzen Bearbeitungszeiten einzustellen. Eine vorteilhafte Makroform der Lagerabschnitte ergibt sich beispielsweise, wenn der Zylinderformfehler bei deutlich weniger als 60 μm liegt, insbesondere im Bereich zwischen 30 μm und 40 μm. Die Finish-Bearbeitung kann darauf aufbauend die gewünschte Soll-Form (z. B. konvexe Mantelform mit 3 μm bis 5 μm) mit vertretbaren Bearbeitungszeiten erzeugen. Die Rundheit sollte bei deutlich weniger als 50 μm liegen, insbesondere im Bereich von 30 μm oder weniger oder sogar bei 20 μm oder weniger, um mittels Finishen die am Endprodukt gewünschte Soll-Rundheit (häufig im Bereich von ca. 3 μm bis 5 μm) in ausreichend kurzer Bearbeitungszeit zu erhalten. Rundheitsfehler von weniger als 10 μm und/oder Zylinderformfehler von weniger als 20 μm sind in der Regel nicht sinnvoll, da dadurch der Aufwand beim vorgeschalteten Prozess stark ansteigen kann. Beim Durchmessermaß ist z. B. ein Übermaß zwischen 15 μm und 25 μm, insbesondere von ca. 20 μm in der Regel günstig, um mittels Finishen innerhalb kurzer Bearbeitungszeit auf typische Durchmesser-Endwerte von ±5 μm zu kommen. Abweichungen sind in allen Fällen möglich, wobei Abweichungen nach oben in erster Linie den Aufwand und die Bearbeitungszeit bei der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation verringern und die Bearbeitungszeit des Finishens verlängern werden, ohne die Qualität des Endprodukts zu beeinträchtigen.
Im Rahmen erfindungsgemäßer Verfahren und Feinbearbeitungsanlagen sind verschiedene Besonderheiten bei Finish-Vorrichtungen bzw. Finish-Operationen möglich, die durch Nutzung der Messwerte aus der vorangegangenen Messung besonderes effizient arbeiten können. Bei einer Variante ist eine gezielte Erzeugung einer angestrebten Mantelllinienform weitgehend unabhängig von der Vorbearbeitung möglich. Bei dieser Variante wird die Finish-Operation so durchgeführt, dass durch den Materialabtrag bei der Finish-Operation die Mantellinienform eines bearbeiteten Lagerabschnitts mittels axial ungleichem Materialabtrag gezielt verändert und in eine Soll-Mantellinienform überführt werden kann. Hierdurch können beispielsweise ausgehend von Lagerabschnitten, die nach der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation eine zylindrische oder konkave Gestalt haben, Lagerabschnitte mit konvexer (balliger) Makroform erzeugt werden.
Bei einer Variante wird zur Erzeugung einer balligen Makroform eines Lagerabschnitts ein starres Finish-Werkzeug mit vorgegebener, in Axialrichtung konkaver Arbeitsfläche verwendet. Die konkave Form der Arbeitsfläche wird dem Lagerabschnitt dann während der Finish-Bearbeitung aufgeprägt. Für diese die Makroform verändernde Bearbeitungsoperation werden in der Regel relativ grobkörnige Finish-Werkzeuge mit typischen mittleren Korngrößen aus dem Bereich von ca. 40 μm bis ca. 70 μm verwendet, wobei vorzugsweise Schneidkörner aus kubischem Bornitrid (CBN) genutzt werden.
Um andererseits die am fertigen Werkstück gewünschte Oberflächengüte mit entsprechend geringer Rauigkeit und vorgegebenem Traganteil zu erhalten, ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, dass bei der Finish-Operation eine erste Finish-Stufe mit ersten Finish-Parametern und danach mindestens eine zweite Finish-Stufe mit zweiten Finish-Parametern durchgeführt wird. Bei der mehrstufigen Finish-Bearbeitung kann beispielsweise zunächst mit einem Finish-Stein als Finish-Werkzeug und danach mit einem Finish-Band als Finish-Werkzeug gearbeitet werden.
Bei einer Ausführungsform ist die Finish-Vorrichtung so konfiguriert, dass eine Finish-Bearbeitung möglich ist, durch die am zu bearbeitenden Lagerabschnitt unter anderem langwellige Rundheitsfehleranteile, also Formfehler geringerer Ordnungen in Umfangsrichtung, reduziert werden können. Diese Verfahrensvariante ist dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Schneidmittel besetztes Finish-Werkzeug in einem zu bearbeitenden Lagerabschnitt mit einer Andrückkraft an eine Umfangsfläche des Lagerabschnitts angedrückt wird, ein der Andrückkraft proportionales Kraftsignal ermittelt wird und ein Zustellweg des Finish-Werkzeugs während mindestens einer Phase der Finish-Operation in Abhängigkeit von dem Kraftsignal gesteuert wird. Zur Erzeugung des Materialabtrags wird die Welle für die Finish-Operation um ihre Wellenachse gedreht und es wird eine relative Axialoszillationsbewegung zwischen Welle und Finish-Werkzeug erzeugt.
Der Begriff „Zustellung” bezeichnet hierbei eine Arbeitsbewegung des Finish-Werkzeugs in Richtung des zu bearbeitenden Werkstückabschnitts bzw., bei Umkehr der Bewegungsrichtung, eine Rückzugsbewegung zur Entfernung des Finish-Werkzeugs vom Werkstückabschnitt. Für diese Bewegung ist bei dieser Ausführungsform eine Wegregelung bzw. eine Positionsregelung vorgesehen. Dadurch ist es möglich, durch die Finishbearbeitung am zu bearbeitenden Werkstückabschnitt auch Formfehler geringerer Ordnungen in Umfangsrichtung zu reduzieren. Die Finishbearbeitung kann hierdurch in gewissem Umfang nicht nur zur Verbesserung von der aus den Vorbearbeitungsstufen resultierenden Mikroform genutzt werden, sondern auch zur Verbesserung der Makroform, also zur Formgebung. Der Begriff „Mikroform” bezieht sich hierbei in erster Linie auf diejenigen Gestaltabweichungen, die auch durch herkömmliche Finishverfahren verbessert werden können, insbesondere also die Rundheit, die kurzwelligen bzw. höherwelligen Formfehler sowie die Rauheit. Der Begriff „Makroform” bezieht sich dagegen auch auf niederwellige Formfehler in Umfangsrichtung (Polygone), die herkömmlich mittels Finishen nicht verbessert werden konnten.
Bekanntlich findet bei einer Regelung (closed loop control) die fortlaufende Rückkopplung einer Ausgangsgröße auf den Eingang eines Reglers (Regeleinrichtung) statt. Bei einer Steuerung (open loop control) fehlt eine derartige Rückkopplung. Sowohl die Steuerung als auch die Regelung umfassen eine gezielte Beeinflussung einer zu beeinflussenden Größe, die bei einer Steuerung als „Steuergröße” und bei einer Regelung als „Regelgröße” bezeichnet werden kann. Bei der hier betrachteten Ausführungsform wird die Position des Finish-Werkzeugs als zu beeinflussende Größe gesteuert. Da diese Steuerung in Abhängigkeit vom (positionsabhängigen) Kraftsignal erfolgt, welches an die Steuereinrichtung rückgekoppelt wird, wird eine Positionsregelung bzw. Wegregelung der Zustellbewegung realisiert.
Da somit ein gewisser Anteil der Formgebung von der positionsbestimmenden Vorbearbeitung in Richtung der Finishbearbeitung verlagert werden kann, können die Anforderungen an die durch die positionsbestimmende Bearbeitung erzielbare Formgenauigkeit reduziert werden. Somit ist auch eine Reduzierung der Vorbearbeitungszeiten möglich, die heute einen erheblichen Anteil der Wertschöpfungskette bei der Bearbeitung von Wellen ausmachen. Dadurch kann sich eine Kostenersparnis für die gesamte Prozesskette ergeben.
Für eine gezielte Formgebung bzw. Formveränderung durch Finishen kann es vorteilhaft sein, wenn die Steuereinrichtung der Finish-Vorrichtung auf möglichst einfache Weise einen Bezug zu der zu bearbeitenden Welle herstellen kann, deren Geometrie durch die vorangegangene Messung bekannt und durch die Messsignale bzw. die daraus abgeleiteten Parameter charakterisiert ist. Um den Bezug zwischen Finish-Maschine bzw. Finish-Werkzeug und der zu bearbeitenden Welle herzustellen, ist bei bevorzugten Varianten vorgesehen, dass das Finish-Werkzeug vor Beginn der Finish-Bearbeitung durch eine in Richtung des Lagerabschnitts geführte Zustellbewegung an den Lagerabschnitt angefahren wird, das Kraftsignal während der Zustellbewegung überwacht wird und ein bei einem ersten Werkstückkontakt auftretender Sprung im Kraftsignal detektiert und zur Steuerung der Zustellung verarbeitet wird. Hierdurch ist eine Referenzierung beim Erstkontakt zwischen Finish-Werkzeug und Welle automatisch möglich. Die Referenzierung kann für jede Welle separat vorgenommen werden, so dass die Ergebnisse der Finish-Operation weitgehend unabhängig von eventuellen Streuungen der Bearbeitungsergebnisse der vorhergehenden Bearbeitungsoperationen gleichmäßig gut bleiben. Die Steuerung der Finish-Vorrichtung kann dann Maßangaben aus der vorgeschalteten Messung übernehmen und danach ohne weitere Messung arbeiten, da basierend auf der Referenzierung in der Folge weggesteuert gearbeitet werden kann.
Die Erfindung ermöglicht es, die Prozesskette zu verkürzen, wobei ggf. durch Umverteilung und/oder Modifizierung von Bearbeitungsaufgaben einzelne Arbeitsstationen einer Feinbearbeitungsanlage eingespart werden können.
Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Feinbearbeitungsanlage zur Feinbearbeitung von Wellen, die nach einem Urformen der Welle durch spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide grob bearbeitet und ggf. danach gehärtet wurden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:
1 zeigt schematisch Komponenten einer Ausführungsform einer Feinbearbeitungsanlage zur Feinbearbeitung von Kurbelwellen nach einer Grobbearbeitung;
2 zeigt eine Kurbelwelle;
3 zeigt in 3A einen Querschnitt durch einen Lagerabschnitt mit unrunder Querschnittsform vor Beginn der Finish-Bearbeitung und in 3B einen Längsschnitt durch den Lagerabschnitt;
4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen zu bearbeitenden Lagerabschnitt nach Abschluss der letzten positionsbestimmenden Bearbeitung in Kontakt mit einem Finish-Werkzeug.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung am Beispiel der Fertigbearbeitung von Kurbelwellen für Personenkraftwagen (PKW) oder Lastkraftwagen (LKW) beschrieben. Die Komponenten der in 1 beispielhaft schematisch gezeigten Feinbearbeitungsanlage 100 sind so ausgewählt und aufeinander abgestimmt, dass aus einer nach dem Urformen grob bearbeiteten Kurbelwelle mit wenigen Feinbearbeitungsoperationen eine einbaufertige, maßhaltige Kurbelwelle entsteht, die sowohl hinsichtlich ihrer Makroform als auch hinsichtlich der Qualität der funktionalen Oberflächen die Kundenanforderungen im Rahmen der Toleranzen erfüllt.
Die in 2 beispielhaft gezeigte Kurbelwelle W weist fünf zur Kurbelwellenachse KA zentrische Lagerabschnitte ZL1 bis ZL5 auf, die üblicherweise als Hauptlager bezeichnet werden. Zwischen den zentrischen Lagerabschnitten sind vier zur Kurbelwellenachse exzentrische Lagerabschnitte EL1 bis EL4, nämlich die Hublager oder Pleuellager, angeordnet. Die Lagerabschnitte sind über Kurbelwangen KW miteinander verbunden. Anstelle der gezeigten Kurbelwelle für 4-Zylinder-4-Taktmotoren können auch einfachere oder kompliziertere Kurbelwellen für Motoren mit mehr als vier Zylindern oder weniger als vier Zylindern bearbeitet werden.
Für die der Feinbearbeitung vorausgehende Grobbearbeitung nach dem Urformen können unterschiedliche spanende Bearbeitungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide zur Anwendung kommen, zum Beispiel Drehen und/oder Fräsen. Bei der Grobbearbeitung wird typischerweise Material im Millimeterbereich vom urgeformten Werkstück abgetragen. Die Lagerabschnitte werden dabei normalerweise so gefertigt, dass noch ein Aufmaß (Übermaß) im Bereich von einigen Zehntelmillimetern (bezogen auf den Durchmesser) für die Abtragung im nachgeschalteten Feinbearbeitungsverfahren verbleibt. Bei manchen Kurbelwellen schließt sich an die spanende Grobbearbeitung noch ein Härtungsprozess an, in welchem die Kurbelwelle oder Teile davon thermisch gehärtet oder durch Rollieren mechanisch gehärtet werden. Die auf diese Weise vorbearbeiteten Kurbelwellen W werden dann der Feinbearbeitungsanlage 100 zugeführt.
Grobbearbeitung, optionale Härtung und Feinbearbeitung können in derselben Fertigungslinie oder in unterschiedlichen Fertigungslinien durchgeführt werden.
Die Feinbearbeitung muss dann im Wesentlichen zwei Aufgaben erfüllen. Zum einen müssen die Lagerabschnitte so bearbeitet werden, dass sie im Rahmen der Toleranzen an ihrer gewünschten Soll-Position liegen. Dazu ist es gegebenenfalls erforderlich, bei einzelnen oder allen zentrischen Lagerabschnitten die Zentrierung in Bezug auf die Kurbelwellenachse zu verbessern. Bei exzentrischen Lagerabschnitten kann es notwendig sein, eine existierende Hubabweichung und/oder eine existierende Winkelabweichung zu den jeweiligen Sollwerten zu verringern. Zudem muss die Makroform der Lagerabschnitte auf die gewünschten Werte eingestellt werden, wozu gegebenenfalls Durchmesserabweichungen zu verringern sowie Rundlauf und/oder Rundheit und/oder Geradheit und/oder Form zu verbessern sind. Schließlich muss auch die Oberflächenmikrostruktur der Lagerabschnitte durch Einstellung der Rauheit, des Traganteils und gegebenenfalls weiterer Parameter gemäß den Vorgaben eingestellt werden. Bei der Feinbearbeitungsanlage 100 ist hierfür folgender Aufbau gewählt.
Die Feinbearbeitungsanlage kann eine oder mehrere Bearbeitungsstationen haben, mit denen positionsbestimmende Bearbeitungsoperationen durchgeführt werden können, also solche Bearbeitungsoperationen, die zum Beispiel durch über den Umfang ungleichmäßig verteilten Materialabtrag die Position von Lagerabschnitten gezielt auf Basis von Vorgaben einer Steuerung verändern können. Zur Durchführung einer letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation ist im Beispielsfall eine Fräsvorrichtung 120 vorgesehen, die hier für das Verfahren „Orthogonal-Drehfräsen” eingerichtet ist. Möglichkeiten der Realisierung und Vorteile sind z. B. in der DE 10 2008 027 941 B4 beschrieben, deren Inhalt insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht wird. Der Betrieb der Fräsvorrichtung 120 wird über eine Steuereinrichtung 125 der Fräsvorrichtung gesteuert.
Nach Abschluss der letzten positionsbestimmten Bearbeitungsoperation werden die Werkstücke zu einer der Fräsvorrichtung 120 nachgeschalteten Messvorrichtung 140 transportiert, die in einer von der Fräsvorrichtung gesonderten Messstation untergebracht ist. Der Betrieb der Messvorrichtung wird über eine Steuereinrichtung 145 gesteuert.
Bei anderen, hier nicht gezeigten Varianten hat die Fräsvorrichtung eine integrierte Messeinrichtung, die eine Post-Prozessmessung oder eine Messung während der Bearbeitung, also eine In-Prozess-Messung, ermöglicht.
Bei manchen Ausführungsformen mit gesonderter Messvorrichtung ist zwischen der Fräsvorrichtung und der Messvorrichtung eine Kühlstation 130 zwischengeschaltet, die dafür sorgt, dass die nach der Fräsbearbeitung gegebenenfalls noch heißen Werkstücke vor Beginn der Mess-Operation auf Temperaturen in der Nähe der Umgebungstemperatur abkühlen, so dass die durch die Messvorrichtung ermittelten Messwerte nicht durch Effekte der Wärmeausdehnung des Werkstückmaterials beeinträchtigt werden. Die optionale Kühlstation 130 des Ausführungsbeispiels ist als Puffermagazin mit mehreren Werkstückplätzen ausgelegt, das eine fertig gefräste Kurbelwelle zunächst an einem Aufnahmeplatz aufnimmt und so lange speichert, bis die Kurbelwelle von allein, das heißt ohne aktive Kühlung, ausreichend abgekühlt hat. Während der Abkühlung wird eine andere, bereits früher eingeführte und nun ausreichend abgekühlte Kurbelwelle an die Messvorrichtung 140 weiter transportiert.
Die Messvorrichtung 140 ist im Beispielsfall als taktile Messvorrichtung ausgelegt und in der Lage, für jeden gemessenen Lagerabschnitt die Umfangskontur winkelaufgelöst in drei oder mehr axial versetzten Messebenen zu bestimmen. Hierzu umfasst die Messvorrichtung eine Dreheinrichtung, in die die Kurbelwelle eingespannt werden kann, um sie um die Kurbelwellenachse oder um die Achse eines jeweils zu messenden exzentrischen Lagerabschnitts zu drehen. Die Messvorrichtung kann eine Temperaturmesseinrichtung mit einem oder mehreren Infrarotsensoren und/oder Thermoelementen enthalten, um an den Lagerabschnitten die (mittlere) Temperatur oder ein axiales Temperaturprofil zu messen.
Nach Abschluss einer Mess-Operation wird die fertig vermessene Kurbelwelle zu einer nachgeschalteten Finish-Vorrichtung 160 transportiert, in welcher eine oder mehrere Finish-Operationen durchgeführt werden. Beispiele hierfür werden nachfolgend noch ausführlich erläutert. Der Betrieb der Finish-Vorrichtung wird über eine Steuereinrichtung 165 gesteuert.
Die Finish-Vorrichtung 160 hat mehrere nebeneinander angeordnete schmale Finisheinheiten, von denen einige zur Bearbeitung der koaxial mit der Wellenachse liegenden Hauptlager und andere, jeweils dazwischen liegende, als Ganzes verschwenkbare Finisheinheiten zur Bearbeitung der exzentrischen Hublager vorgesehen sind. Für jeden zu bearbeitenden Lagerabschnitt ist eine eigene angepasste Finisheinheit vorgesehen.
Die Finish-Vorrichtung bewirkt den Materialabtrag am Werkstück bei der der Messung unmittelbar folgenden Finish-Bearbeitung mithilfe starrer Finish-Werkzeuge (Finish-Steine). An jedem der Finisharme einer Finisheinheit ist im Bereich des freien Endes auf der dem Werkstück zugewandten Seite ein auswechselbares Finish-Werkzeug befestigt, das mit einer für den Bearbeitungsvorgang vorgesehenen Andrückkraft an den Lagerabschnitt angedrückt werden kann. Die für den Materialabtrag erforderliche Schnittgeschwindigkeit wird ausschließlich durch die Rotationsbewegung des Werkstücks in Kombination mit der überlagerten axialen Oszillationsbewegung erzeugt.
Jede der Finisheinheiten hat zwei Bearbeitungsarme (Finisharme), die um zueinander parallele Schwenkachsen derart schwenkbar gelagert sind, dass ihre freien Enden nach innen in Richtung auf das zu bearbeitende Werkstück bzw. nach außen vom Werkstück weg nach Art einer Zange verschwenkbar sind. Die Schwenkbewegungen der Finisharme sind über eine mechanische Einrichtung, z. B. über Zahnradsegmente, zwangsgekoppelt. Die Zähne der Zahnradsegmente greifen spielfrei ineinander, so dass eine Verschwenkbewegung eines Finisharms zwangsläufig eine gegenläufige Verschwenkbewegung des anderen Finisharms bewirkt.
Für die Schwenkbewegung der Finisharme ist bei jeder der Finisheinheiten eine numerisch gesteuerte Maschinenachse vorgesehen, die einen weggeregelten bzw. positionsgeregelten Betrieb ermöglicht, so dass die Zustellbewegung der Finisharme bzw. des Finish-Werkzeugs in Richtung auf das Werkstück bzw. davon weg weggesteuert bzw. positionsgesteuert durchgeführt werden kann. Hierzu hat jede Finisheinheit eine elektromechanische Finisharm-Antriebseinheit, die einen Servomotor umfasst, der an die Steuereinrichtung 165 angeschlossen ist. Der Servomotor ist mit einem der Finisharme antriebsgekoppelt, um diesen zu verschwenken. Aufgrund der mechanischen Zwangskopplung der Finisharme kann eine Schließbewegung der Finisharme erzeugt werden. Bei umgedrehter Ansteuerung wird die Bearbeitungszange geöffnet. Im Weg des Kraftflusses zwischen dem Servoantrieb und dem Finisharm ist keine konstruktiv bedingte Nachgiebigkeit vorgesehen, so dass über die durch Weggeber ermittelbare Position des Servoantriebs die Zustellposition des Bearbeitungswerkzeugs (Finishband) unmittelbar vorgegeben werden kann. Aufgrund der starren, unnachgiebigen Kopplung zwischen dem elektromechanischen Antrieb und dem Finish-Werkzeug bzw. den Finish-Werkzeugen ist die Finish-Vorrichtung für eine präzise, zuverlässige Wegsteuerung konfiguriert.
Nach Abschluss der Finish-Bearbeitung ist die maßliche Bearbeitung der Kurbelwelle beendet. In einer nachfolgenden Waschstation kann die Kurbelwelle gereinigt und für die Aufbewahrung bis zum Einbau in einen Motor vorbereitet werden.
Bei manchen Varianten ist der Waschstation bzw. der Finish-Vorrichtung 160 noch eine Nachmessstation 180 nachgeschaltet, mit der eine Endkontrolle der fertigen Kurbelwellen vor deren Lagerung bis zum Einbau vorgenommen werden kann.
Die Steuereinrichtung 145 der Messvorrichtung 140 ist über ein Kabel 146 oder auf andere Weise, gegebenenfalls drahtlos, signalleitend mit der Steuereinrichtung 165 der Finish-Vorrichtung verbunden. Dadurch ist es möglich, den Betrieb der Finish-Vorrichtung 160 in Abhängigkeit von Messsignalen der vorgeschalteten Messvorrichtung 140 zu steuern. Diese fungiert somit in Bezug auf die Finish-Vorrichtung als Pre-Messstation (bzw. Vormessstation).
Weiterhin ist die Steuereinrichtung 145 der Messvorrichtung über ein Kabel 147 oder auf andere Weise, beispielsweise drahtlos, signalleitend mit der Steuereinrichtung 125 der Fräsvorrichtung 120 verbunden, die die letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation durchführt. Dadurch ist es möglich, auch die letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation in Abhängigkeit von Messsignalen oder Messwerten durchzuführen, die mithilfe der Messvorrichtung 140 ermittelt werden. In Bezug auf die letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation fungiert die Messvorrichtung als nachgeschaltete Messvorrichtung, führt also eine Post-Prozessmessung durch.
Wenn eine Nachmessstation 180 vorgesehen ist, ist deren Steuereinrichtung 185 vorzugsweise über ein Kabel 186 oder auf andere Weise, gegebenenfalls drahtlos, signalleitend mit der Steuereinrichtung 165 der Finish-Vorrichtung verbunden. Dadurch ist es möglich, den Betrieb der Finish-Vorrichtung 160 auch in Abhängigkeit von Messsignalen der Nachmessvorrichtung 180 zu steuern.
Die Funktionen der Steuereinrichtung 145 der Messvorrichtung sowie der Steuereinrichtung 165 der Finish-Vorrichtung und/oder der Steuereinrichtung 125 der Fräsvorrichtung können innerhalb einer Gesamt-Steuereinrichtung der Feinbearbeitungsanlage integriert sein, beispielsweise in einem gemeinsamen Steuer-Rechner. Bei Zwischenschaltung geeigneter Schnittstellen ist auch eine getrennte Konfiguration möglich, so dass gegebenenfalls eine autarke Finish-Vorrichtung und/oder eine autarke Fräsvorrichtung zum Aufbau einer solchen Feinbearbeitungsanlage genutzt werden können.
Anhand von 3 werden einige mithilfe der Messvorrichtung 140 ermittelbare Parameter erläutert, die funktionsrelevante geometrische Eigenschaften der Lagerabschnitte beschreiben. Hierzu zeigt 3A einen Querschnitt durch einen Lagerabschnitt LA senkrecht zu seiner Längsachse AX, deren Soll-Position bei zentrischen Hauptlagern mit der Kurbelwellenachse zusammenfällt und bei Hublagern exzentrisch zur Kurbelwellenachse parallel zu dieser in einem Abstand liegt, der dem Hub H des Hublagerabschnitts entspricht. 3B zeigt einen Längsschnitt durch einen Lagerabschnitt, der an beiden Seiten mit einem radialen Einstich versehen ist und dann über einen Ölbund in begrenzende Kurbelwangen KW übergeht.
Der Lagerabschnitt LA hat eine konzentrisch zur Achse AX liegende kreisförmige Soll-Kontur SK. Die bei der Fertigung mittels geometrisch bestimmter Schneide erzielbare Ist-Kontur K weicht jedoch von der angestrebten Soll-Kontur je nach Präzision des Prozesses und Labilität des Werkstücks ab, es ergibt sich eine unrunde Ist-Kontur K. Zum Ermitteln der Rundheit werden an die Ist-Kontur K ein innerer Hüllkreis HK_I und ein äußerer Hüllkreis HK_A angelegt. Der radiale Abstand dieser beiden Hüllkreise gibt die Rundheit RND an. Bei einer 360°-Drehung des Lagerabschnitts um die Achse AX wird die Ist-Kontur K in Umfangsrichtung abgetastet, wobei in bestimmten Winkelabständen von beispielsweise 1° bis 10° Messwerte für die radiale Lage des radial beweglich gelagerten Taststifts T als Funktion des Drehwinkels Θ aufgenommen werden. Diese Messung wird in drei axial versetzten Messebenen ME1 bis ME3 durchgeführt, wobei ME2 im axialen Zentrum des Lagerabschnitts und die Messebenen ME1 und ME3 in der Nähe der axialen Enden des Lagerabschnitts bei den Einstichen liegen. Aus den Messsignalen bzw. daraus abgeleiteten Signalen oder Messwerten werden unter anderem die folgenden Parameter ermittelt:

(i) Durchmesser und Lage eines äußeren Hüllkreises HK_A an die Ist-Kontur K und Lage von dessen Zentrum in Bezug auf die Soll-Lage der Achse des Lagerabschnitts;
(ii) Durchmesser und Lage eines inneren Hüllkreises HK_I an die Ist-Kontur K und Lage von dessen Zentrum in Bezug auf die Soll-Lage der Achse des Lagerabschnitts;
(iii) Durchmesser und Lage eines bestangepassten Kreises (best-fitting circle, BFC) an die Ist-Kontur K sowie Lage von dessen Zentrum in Bezug auf die Soll-Lage der Achse AX;
(iv) Durchmesser D des Lagerabschnitts in mindestens einer Messebene als Funktion des Drehwinkels, das heißt D(Θ);
(v) ein Mantellinienform-Parameter ML zur Charakterisierung der axialen Mantellinienform, wobei sich beispielsweise eine ballige Mantellinienform ergibt, wenn die Durchmesserwerte in den axialen Endbereichen der Messebenen ME1 und ME3 signifikant (z. B. einige μm) kleiner sind als in der zentralen Messebene ME2.

Für die exzentrischen Hublagerabschnitte werden zusätzlich noch Messwerte für die Hubabweichung, ΔH, und die Winkelabweichung, ΔW, ermittelt. Die Hubabweichung kann dabei als maßliche, prozentuale Abweichung des Ist-Hubs (Abstand der Ist-Mitte eines Hublagerabschnitts von der Ist-Mitte der Hauptlager (zentrischen Lagerabschnitte) vom Soll-Hub beschrieben werden. Die Winkelabweichung kann z. B. als in Grad oder als auf den Hub bezogenes Längenmaß in Umfangsrichtung angegebene Abweichung der Ist-Winkellage eines Hublagerabschnitts von seiner Soll-Winkellage relativ zur Mittellagerachse und bezüglich der Winkelstellung zu den übrigen Hublagerzapfen angegeben werden.
Zusätzlich können durch die Messung noch alle relevanten Längenmaße bestimmt werden.
Die Messsignale beziehungsweise daraus abgeleitete Signale oder Messwerte können dann für den vorgeschalteten Fräsprozess und für den nachgeschalteten Finish-Prozess auf verschiedene Weise genutzt werden.
Für die Fräsoperation, die als letzte positionsbestimmende Bearbeitungsposition in der Lage ist, Lageparameter bzw. Positionsparameter zu verändern, können sämtliche Messwerte zur Korrektur der Lagerabschnittsgeometrie verwendet werden, insbesondere auch die Messwerte aus einzelnen Winkellagen und/oder aus verschiedenen axialen Messebenen. Hierzu werden beispielsweise Werte zur Winkelabweichung ΔW und zur Hubabweichung ΔH sowie winkelabhängige Durchmesserwerte D(Θ) an die Steuereinrichtung 125 der Fräsmaschine übertragen. Die in dieser Post-Prozessmessung ermittelten Geometriewerte können zur Werkzeugkompensation bei der Fräsbearbeitung benutzt werden. Hierzu berechnet die Steuereinrichtung 125 Korrekturwerte für die Positionseinstellung einzelner Fräswerkzeuge oder des gesamten Fräswerkzeugs, beispielsweise um die Position eines Lagerabschnitts als Ganzes in Hubrichtung und/oder in Umfangsrichtung zu verändern, um die Hubabweichung und/oder die Winkelabweichung auf die am Endprodukt gewünschten Werte einzustellen.
Die aufgenommenen Geometriewerte können auch dazu verwendet werden, Werkzeugverschleiß und dessen Einfluss auf die Bearbeitungsqualität zu eliminieren oder minimieren und/oder um Werkzeugverschleißkriterien festzulegen und damit automatisiert zu entscheiden, ob ein Werkzeug gewechselt werden muss.
Insbesondere bei der Auswertung der Messwerte für mehrere nacheinander gefertigte Werkstücke lassen sich dadurch auch systematische Einflüsse erkennen und gut korrigieren. Diese systematischen Einflüsse kann das Messsystem selbst ständig erkennen. Die systematischen Einflüsse können in einer Korrekturtabelle hinterlegt werden, und zwar für jeden einzelnen Lagerabschnitt der Kurbelwelle separat. Nachdem systematische Einflüsse bei einem Fräsprozess auf diese Weise weitestgehend kompensiert werden können, müssen im Prinzip nur noch unsystematische Einflüsse korrigiert werden. Mithilfe des Fräsprozesses werden in erster Linie Form- und Lagerabweichungen korrigiert, insbesondere parametrisiert durch entsprechende Durchmesserparameter, die Hubabweichung und die Winkelabweichung.
Die der Messung nachgeschaltete Finish-Operation (eine oder mehrere Finish-Stufen) soll die Position der Lagerabschnitte im Wesentlichen unverändert belassen und an den Lagerabschnitten vor allem deren Soll-Durchmesser beziehungsweise den gewünschten axialen Verlauf des Durchmessers (gegeben durch die Mantellinienform) einstellen und die Oberflächengüte hinsichtlich Rauigkeit, Traganteil und eventuell anderer Parameter verbessern.
Durch die Mess-Operation, die vor Beginn der Finish-Operation abgeschlossen ist, ist die Werkstückgeometrie genau bekannt, bevor die Finish-Operation beginnt. Die Finish-Vorrichtung ist dazu eingerichtet, eine automatische Referenzierung von Zustellbewegungen an dem jeweils zu bearbeitenden Lagerabschnitt beim Erstkontakt zwischen dem Finish-Werkzeug und dem zu bearbeitenden Lagerabschnitt durchzuführen, so dass Maßangaben aus der vorgeschalteten Messung in die Steuereinrichtung 165 der Finish-Einrichtung übernommen werden können und die Finish-Operation in der Folge aufbauend auf diesen Maßangaben gezielt gesteuert werden kann. Zur Erläuterung zeigt 4 schematisch einen Querschnitt durch einen zu bearbeitenden Lagerabschnitt LA, der nach Abschluss der letzten positionsbestimmenden Bearbeitung eine in Umfangsrichtung ungleichmäßige Ist-Kontur K aufweist, die durch eine gewisse Welligkeit in Umfangsrichtung sowie durch nach außen ragende Abschnitte und weiter innenliegende Bereiche charakterisiert ist.
Aufgrund der vorangegangenen Messung ist der Radius am Ort der am weitesten nach außen ragenden Bereiche bekannt und durch den Parameter HK_A für die äußere Hüllkurve gegeben. Die Finish-Vorrichtung hat einen oder mehrere Sensoren, die ein Kraftsignal erzeugen können, welches der Andrückkraft proportional ist, mit der das Finish-Werkzeug FW an die Umfangsfläche eines zu bearbeitenden Werkstückabschnitts angepresst wird. Im Rahmen der Finish-Operation wird nun ein der Andrückkraft proportionales Kraftsignal ermittelt. Der Zustellweg des Finish-Werkzeuges in Richtung auf den Werkstückabschnitt wird während mindestens einer Phase der Finish-Operation in Abhängigkeit von dem Kraftsignal gesteuert. Diese Funktionalität wird vor Beginn der materialabtragenden Phase der Finish-Operation zur Referenzierung genutzt, indem das Finish-Werkzeug FW in Zustellrichtung R mehr oder weniger radial in Bezug auf die Achse des zu bearbeitenden Lagerabschnitts zugestellt wird, wobei das Kraftsignal während der Zustellbewegung überwacht wird und ein beim ersten Werkstückkontakt auftretender Sprung im Kraftsignal detektiert und zur Steuerung der weiteren Zustellung verarbeitet wird.
Das Werkstück kann zur Durchführung der Referenzierung gedreht werden, so dass das Finish-Werkzeug beim Zustellen zuverlässig zuerst mit dem höchsten Punkt am Umfang des Lagerabschnitts in Kontakt kommt. Es ist auch möglich, das Werkstück auf Basis von winkelaufgelöst erfassten Messwerten so zu drehen, dass der höchste Punkt im Bereich des zuzustellenden Finish-Werkzeugs liegt. Eine Drehung des Werkstücks während der Zustellung kann dann entfallen.
Im Beispiel von 4 trifft das Finish-Werkzeug FW auf einen nach außen ragenden Vorsprung V am Umfang des Lagerabschnitts auf, wodurch bei weiterer Zustellbewegung das Kraftsignal sprunghaft ansteigt. Wird ein vorgegebener Schwellwert des Kraftsignals überschritten, übernimmt die Steuerung der Finish-Vorrichtung die zugeordnete Position des Zustellantriebs des Finish-Werkzeugs als Startposition. Der Durchmesser der äußeren Hüllkurve (oder der Durchmesser des bestangepassten Kreises wird als Startdurchmesser der dann folgenden, materialabtragenden Finish-Bearbeitung übernommen. Da der Steuerung auch der am Ende der Finish-Operation angestrebten Enddurchmesser bekannt ist, kann die Steuerung den noch erforderlichen Zustellweg berechnen und das Finish-Werkzeug entsprechend weggesteuert zustellen, bis der gewünschte Enddurchmesser erreicht ist.
In der Folge, d. h. nach dem Erstkontakt, wird die Finish-Operation vorzugsweise als inkrementell weggesteuerte Finish-Operation fortgeführt.
Dabei wird während einer Zustellbewegung des Finish-Werkzeugs das Kraftsignal überwacht und die Zustellbewegung in einer ersten Position angehalten, wenn das Kraftsignal einen vorab vorgebbaren ersten Schwellwert erreicht, und die Finishbearbeitung wird dann bei in der ersten Position angehaltener Zustellung weitergeführt. Bis zum Erreichen der ersten Position wird das Finish-Werkzeug somit in Richtung des zu bearbeitenden Werkstückabschnitts bewegt (zugestellt). Bei dieser Zustellbewegung steigt das Kraftsignal an, wenn das Finish-Werkzeug in Kontakt mit dem Werkstückabschnitt steht. Diese Zustellbewegung wird bei einer vorbestimmten Andrückkraft gestoppt. Da die Werkstückdrehung und eine gegebenenfalls zusätzlich vorgesehene relative Oszillationsbewegung zwischen Werkstück und Finish-Werkzeug in Axialrichtung weiterlaufen, findet ein Materialabtrag vorwiegend in den Bereichen statt, wo die höchste Andrückkraft auftritt. Hierdurch werden radial zur Werkstückachse weiter außerhalb liegende Umfangsabschnitte im Vergleich zu weiter innerhalb liegenden Umfangsabschnitten stärker abgetragen, so dass Radienunterschiede reduziert werden und die Rundheit verbessert wird.
Vorzugsweise wird das Kraftsignal bei in der ersten Position angehaltener Zustellung überwacht und die Zustellbewegung wird fortgesetzt, wenn das Kraftsignal einen vorgebbaren zweiten Schwellwert erreicht, der niedriger als der erste Schwellwert ist. Die oben beschriebene Bearbeitung bei in der ersten Position angehaltenem Vorschub führt zu einem bevorzugten Materialabtrag in den am weitesten nach außen stehenden Bereichen, wodurch allmählich die Andrückkraft absinkt. Ist der zweite Schwellwert für das Kraftsignal erreicht, wird die Zustellung fortgesetzt, so dass die Andrückkraft danach wieder zunimmt und ein weiterer Materialabtrag erfolgen kann. Dabei wird dann weiteres Material abgetragen, bevorzugt wiederum in den weiter außen stehenden Bereichen, sofern solche noch vorhanden sind.
Vorzugsweise wird die Zustellbewegung in der Weise fortgesetzt, dass das Finish-Werkzeug um ein vordefiniertes Weginkrement bis in eine zweite Position zugestellt wird. Dadurch steigen die Andrückkraft und das dazu proportionale Kraftsignal wieder an. Die zweite Position wird dann in der Regel so lange gehalten, bis das Kraftsignal einen vorgebbaren dritten Schwellwert erreicht, der dem zweiten Schwellwert entsprechen oder sich von diesem unterscheiden kann.
Die schrittweise Zustellung des Finish-Werkzeugs über gewisse Weginkremente kann einmal oder mehrfach wiederholt werden, bis die gewünschte Makroform durch Finishen hergestellt ist. Dieser Zeitpunkt kann beispielsweise dadurch detektiert werden, dass Schwankungen im Kraftsignal während der Drehung des Werkstücks überwacht werden. Wenn die Schwankungsbreite unter einen gewissen Schwellwert sinkt, erkennt die Steuerung automatisch, dass Unrundheiten des Werkstückabschnitts im Rahmen der Toleranzen beseitigt sind.
Bei manchen Verfahrensvarianten wird während mindestens einer Konstantkraftphase die Zustellung des Finish-Werkzeugs derart geregelt, dass die Andrückkraft im Wesentlichen konstant bleibt. Ein solcher kraftgeregelter Prozess kann sich beispielsweise an die oben beschriebene inkrementelle Zustellung zur Reduzierung von Unrundheiten anschließen. Bei einer Bearbeitung mit konstanter Andrückkraft ändert sich die Position bzw. der Weg des Finish-Werkzeugs in der Regel relativ gleichmäßig und relativ langsam, so dass über den gesamten Umfang des Werkstückabschnitts gleichmäßige Oberflächeneigenschaften erzielt werden können.
Bei Eintritt einer vorgebbaren Rückfahrbedingung wird eine Rückfahrbewegung des Finish-Werkzeugs automatisch eingeleitet. Es erfolgt somit eine Zustellung in entgegen gesetzter Richtung. Die Rückfahrbewegung kann z. B. eingeleitet werden, wenn der Durchmesser ausgehend von dem durch die Messung bekannten Durchmesserwert beim Erstkontakt (z. B. Durchmesser der Hüllkurve) um einen vorab berechneten Wert so weit reduziert wurde, dass der Soll-Durchmesser erreicht ist. Der hierfür erforderliche Zustellweg kann nach dem Erstkontakt berechnet werden. Zur Bestimmung der Rückfahrbedingung können auch Formmesswerte herangezogen werden, so dass die Zustellung z. B. dann beendet werden kann, wenn eine gewünschte ballige Gestalt des Lagerabschnitts erreicht ist.
Häufig sind die Geometrieanforderungen so, dass einzelne oder alle Lagerabschnitte eine leicht ballige Gestalt aufweisen sollen. Diese vom Kunden vorgegebene finale Mantellinienanforderung (Balligkeit) drückt sich in der Regel in Durchmesserunterschieden von wenigen Mikrometern zwischen unterschiedlichen axialen Positionen des Lagerabschnitts aus. Bei manchen Varianten wird zur Erzeugung einer gewünschten nicht-zylindrischen Mantellinienform bei der ersten der Messung folgenden Finish-Operation ein starres Finish-Werkzeug verwendet, welches eine in Axialrichtung des Werkstücks gekrümmte Arbeitsfläche, beispielsweise eine konkave Arbeitsfläche, hat, die bei der Bearbeitung zu einer konvexen, tonnenförmigen Lagerabschnittsform führt. (Die Arbeitsfläche ist auch in Umfangsrichtung gekrümmt mit einem Krümmungsradius, der dem Krümmungsradius der Soll-Kontur entspricht.) Um durch die Finish-Operation einen gezielten Ausgangsdurchmesser beziehungsweise axialen Verlauf des Ausgangsdurchmessers zu realisieren, wird bei einer Ausführungsform lediglich ein Eingangs-Durchmesser benötigt, welcher durch die vorangegangene Messung ermittelt worden ist. Anhand des Eingangs-Durchmessers, also des durch den vorgeschalteten Fräsprozess erzeugten Durchmessers, wird die erforderliche Zustellung des Finish-Werkzeuges ermittelt und der Finish-Prozess dann anhand dieser Eingangsparameter bis zum Ende durchgeführt. Bei dieser Ausführungsform wird nur ein Parameter für den Eingangsdurchmesser verwendet, die exakte Werkstückform im Lagerabschnitt, also eine Eingangs-Balligkeit, bleibt hierbei unberücksichtigt.
Bei einer anderen Ausführungsform wird bei der Finish-Operation mit starrem Finish-Werkzeug auch die genaue axiale Werkstückform des gefrästen Lagerabschnitts, die aus den Messwerten ermittelt worden ist, herangezogen, um die Steuerparameter für die nachfolgende Finish-Operation noch genauer bestimmen zu können. Vorteile dieser Variante werden anhand von 5 näher erläutert. Die 5A bis 5C zeigen jeweils ein Finish-Werkzeug FW mit einer in Axialrichtung konkav gekrümmten Arbeitsfläche, deren Wölbung in Axialrichtung der gewünschten Balligkeit des Lagerabschnitts LA am Ende der Bearbeitung entspricht. Die vorgeschaltete Fräsoperation als letzte positionsbestimmende Bearbeitungsposition kann den Lagerabschnitt auf unterschiedliche Weise bearbeiten. Im Fall von 5A hat die Vorbearbeitung zu einer konkaven Form des Lagerabschnitts geführt, bei dem die Durchmesser in der Nähe der äußeren Einschnitte größer sind als im Zentralbereich des Lagerabschnitts. Im Fall von 5B hat die Fräsoperation einen weitgehend zylindrischen Lagerabschnitt erzeugt. Im Fall von 5C wurde durch Fräsen bereits eine leichte konvexe Balligkeit des Lagerabschnitts erzeugt. In allen Fällen wird zu Beginn der Finish-Operation die oben erwähnte Anfahrerkennung zur Referenzierung am Werkstück durchgeführt, indem das Finish-Werkzeug in Radialrichtung der jeweiligen Achse des Lagerabschnitts auf den Lagerabschnitt zugestellt wird und die Zustellbewegung bei Erreichen einer bestimmten Andrückkraft zunächst gestoppt wird.
Ergibt sich aus den Messwerten, dass die vorgefräste Umfangsfläche bereits ballig (also konvex) geformt ist (5C), kommt das Finish-Werkzeug bereits beim Erstkontakt zwischen Finish-Werkzeug und Werkstück mit der Werkstückfläche großflächig bis beinahe vollständig in Kontakt, so dass die erforderliche Zustellung des Finish-Werkzeuges bis zur Erreichung des Soll-Durchmessers relativ gering sein kann. Ergibt sich dagegen aus den Messwerten, dass die vorgefräste Fläche nicht ballig, sondern zylindrisch (5B) oder sogar konkav (5A) ist, kommt das Finish-Werkzeug beim Aufsitzen mit der Werkstückoberfläche noch nicht vollständig in Kontakt, sondern zunächst nur mit den erhöhten Stellen an den beiden axialen Rändern des Lagerabschnitts. Erst wenn diese erhöhten Ränder abgetragen und stärker als die Mitte im Durchmesser reduziert worden sind, ist das Finish-Werkzeug mit dem Werkstück in vollem Kontakt. In diesem Fall ist also ein größerer Zustellweg des Werkzeuges bis zur Erreichung des Soll-Durchmessers erforderlich. Diese Unterschiede können bei der Steuerung berücksichtigt werden, wenn neben Messwerten für den Durchmesser des Lagerabschnitts auch Parameter zur Mantellinienform von der Messvorrichtung zur Finish-Vorrichtung übertragen werden.
Alle Formen zwischen konkav und konvex können prinzipiell auftreten, so dass die erforderliche Werkzeugzustellung des Finish-Werkzeugs immer individuell festgelegt werden sollte. Der Finish-Prozess kann sich aufgrund der Übergabe der Messwerte automatisch an unterschiedliche Mantellinienformen anpassen und bei einer Vielzahl von bearbeiteten Lagerabschnitten sehr geringe maßliche Streuungen der fertig bearbeiteten Lagerabschnitte erzeugen. Aus einer geringeren maßlichen Streuung ergibt sich wiederum ein höherer Wert Cpk für die Prozessfähigkeit, so dass die hohen Anforderungen von Kunden, insbesondere aus der Automobilindustrie, leichter erfüllt werden können. Die Anforderungen an den vorgeschalteten Fräsprozess hinsichtlich der am Ende der Fräsbearbeitung vorliegenden Mantellinienform können dagegen entspannt werden, so dass dort mit höheren Taktgeschwindigkeiten gearbeitet werden kann.
Bei Bedarf können für den nachfolgenden Finish-Prozess gegebenenfalls auch Messwerte aus den einzelnen Winkellagen und/oder axialen Messebenen herangezogen werden, um beim Finishen gegebenenfalls in Abhängigkeit von der Winkellage des Werkstücks den Prozess der Bearbeitung gezielt zu steuern. Beispielsweise kann die Anpresskraft des Finish-Werkzeugs an den Lagerabschnitt und/oder die Dauer des Finish-Prozesses in Abhängigkeit von der Vorbearbeitung und der Winkellage gesteuert werden.
Sofern vom Fräsprozess Werkstücke mit hoher Präzision geliefert werden, zum Beispiel nach der Kompensation von systematischen Einflüssen, ist es gegebenenfalls ausreichend, auf die Messwerte aus den einzelnen Winkellagen und/oder axialen Ebenen zu verzichten und stattdessen nur noch einen einzigen Wert für die Durchmesserabweichung als Eingabeparameter zu verwenden. Es ist auch möglich, dass die Verwendung der Messwerte beim nachfolgenden Finish-Prozess variabel/dynamisch erfolgt, je nachdem, wie genau die Werkstücke im vorgeschalteten Fräsprozess bearbeitet wurden.
Aufgrund der hohen Reproduzierbarkeit der hier vorgeschlagenen Finish-Operationen wird nach dem Finishen normalerweise keine weitere Messung durchgeführt, so dass für den Finish-Prozess somit lediglich die Eingangsinformationen aus der vorgeschalteten Messung verarbeitet werden.
Es ist jedoch auch möglich, im Anschluss an das Finishen bzw. die Finish-Operation eine Post-Prozessmessung anzuschließen und die dort ermittelten Messwerte wiederum zur Korrektur des Finishprozesses bzw. der Finish-Operation zu verwenden.
In einer hierfür geeigneten Ausführungsform wird nach der hier vorgeschlagenen Finish-Operation eine weitere Messung (Nachmessung) durchgeführt. Hierzu kann die oben erwähnte, der Finish-Vorrichtung nachgeschaltete Nachmessstation 180 vorgesehen sein. Vorzugsweise werden die Kurbelwellen am Ende der Kurbelwellenlinie (Fertigungslinie zur Bearbeitung von Kurbelwellen) zunächst in einer Reinigungseinrichtung gereinigt. Anschließend erfolgt die Messung der zuvor in der Finish-Operation bearbeiteten Lagerabschnitte. Diese Messung ist in Bezug auf die vorangegangene Finish-Operation eine Post-Prozessmessung. Besonders günstig kann es sein, wenn jeder einzelne Lagerabschnitt gemessen wird. Durch eine Rückführung der Messsignale oder daraus abgeleiteter Signale oder Messwerte zur Finish-Vorrichtung lässt sich die Genauigkeit des Bearbeitungsprozesses dann für jeden einzelnen Lagerabschnitt noch weiter verbessern. Die ermittelten Messwertabweichungen werden vorzugsweise über eine Steuereinrichtung der Nachmessstation an die Finish-Vorrichtung bzw. deren Steuereinrichtung übertragen und zusammen mit Korrekturwerten der Steuereinrichtung aus der Pre-Prozessmessung zu einem gemeinsamen Korrekturwert verrechnet.
Wenn die Post-Prozessmessung, ebenso wie die Pre-Prozessmessung, in mindestens drei Messebenen sowie winkelaufgelöst durchgeführt wird, können die Messwerte der Post-Prozessmessung mit den Werten der Pre-Prozessmessung verglichen werden, woraus in einer Berechnungseinheit systematische Abweichungen ermittelt werden können. Ein Vorteil dieser Variante liegt darin, dass systematische Abweichungen erkannt und weitgehend eliminiert werden können. Systematische Abweichungen können beispielsweise durch Elastizitäten von Werkstück, Werkzeug und Werkzeugmaschine verursacht werden. Es kann somit ein selbstlernendes System geschaffen werden, das aus mehreren Messwerten Korrekturwerte errechnet und an die Steuereinrichtung der Finish-Vorrichtung weitergibt. Die Post-Prozessmessung kann als Feinsteuerung für den Finishprozess fungieren.
Durch die Messung werden der nachfolgenden Finish-Operation wichtige Informationen über die Geometrieabweichungen der zu bearbeitenden Welle von den entsprechenden Sollwerten zur Verfügung gestellt, beispielsweise absolute Durchmesser und/oder Aufmaßwerte, gegebenenfalls Mantellinienverläufe etc.. Mithilfe der Finish-Operation können dann Korrekturen vorgenommen werden, um neben den für das traditionelle Finishen typischen Oberflächenverbesserungen auch geometrische Verbesserungen der bearbeiteten Werkstücke bis hin zum Erreichen/Unterschreiten der geforderten Fertigteiltoleranzen zu erzielen. Insbesondere können Messwerte für eine Korrektur der Lagerabschnittsdurchmesser sowie der Lagerabschnittsform in axialer Richtung verwendet werden, um einen bestimmten Durchmesserwert mit Toleranzgrenzen zu erreichen und/oder eine geforderte Zylinderform oder Balligkeitsform der Lagerabschnitte durch die Finish-Bearbeitung darzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19714677 C5 [0005]
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EP 2338625 A1 [0006]
DE 10354690 A1 [0007]
DE 4135681 C3 [0029]
DE 102008027941 B4 [0057]

Claims

Verfahren zur Feinbearbeitung von Wellen, bei dem in einer oder mehreren positionsbestimmenden Bearbeitungsoperationen Lagerabschnitte der Welle bezüglich ihrer Position an der Welle definiert werden, und nach einer letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation Lagerabschnitte der Welle in mindestens einer Finish-Operation durch eine Finish-Bearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide bearbeitet werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Messung mindestens eines Lagerabschnitts während und/oder nach Abschluss der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation in einer Mess-Operation zur Erzeugung eines Messsignals, das mindestens einen Parameter repräsentiert, der eine Eigenschaft des Lagerabschnitts beschreibt; und Steuerung der Finish-Operation in Abhängigkeit von dem Messsignal.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung des Lagerabschnitts mindestens ein Formparameter bestimmt wird, der eine Eigenschaft der Makroform des Lagerabschnitts repräsentiert, wobei der Formparameter ausgewählt ist aus der Gruppe: Durchmesser des Lagerabschnitts an mindestens einer Axialposition des Lagerabschnitts; Rundheit des Lagerabschnitts an mindestens einer Axialposition des Lagerabschnitts; Mantellinienform des Lagerabschnitts, wobei einzelne, mehrere oder alle Formparameter bei der Steuerung der Finish-Operation berücksichtigt werden, um die Finish-Operation derart zu steuern, dass die entsprechende Eigenschaft der Makroform des Lagerabschnitts am Ende der Finish-Operation dem zugehörigen Sollwert im Rahmen der Toleranz entspricht, wobei insbesondere ein Zustellweg eines Finish-Werkzeuges in Abhängigkeit von mindestens einem Formparameter gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation in Abhängigkeit von dem Messsignal gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation eine spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide durchgeführt wird, wobei vorzugsweise als letzte positionsbestimmende Bearbeitungsoperation eine Außenfräsoperation, eine Innenfräsoperation oder eine Orthogonal-Drehfräsoperation durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung des Lagerabschnitts mindestens ein Positionsparameter bestimmt wird, der eine Position des Lagerabschnitts in Bezug auf ein werkstückfestes Koordinatensystem repräsentiert, insbesondere zur Charakterisierung der Positionen von exzentrischen Lagerabschnitten an Kurbelwellen, wobei der Positionsparameter ausgewählt ist aus der Gruppe: Hubabweichung des Lagerabschnitts; und Winkelabweichung des Lagerabschnitts.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Mess-Operation ein Lagerabschnitt (LA) in mindestens drei axial versetzten Messebenen (ME1, ME2, ME3) gemessen wird und/oder dass die Welle während der Durchführung der Messung in unterschiedliche Drehlagen gedreht wird und die Messung an der Welle winkelaufgelöst in der Weise durchgeführt wird, dass mindestens ein Parameter in Abhängigkeit von der Drehlage bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung des Lagerabschnitts mindestens ein Temperaturparameter bestimmt wird, der eine Temperatur des Lagerabschnitts oder eine Temperaturverteilung innerhalb des Lagerabschnitts repräsentiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kühloperation zur Abkühlung der Kurbelwelle zwischen dem Abschluss der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation und einem Beginn der Messung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Finish-Operation so durchgeführt wird, dass durch den Materialabtrag bei der Finish-Operation die Mantellinienform eines bearbeiteten Lagerabschnitts mittels axial ungleichem Materialabtrag gezielt verändert und in eine Soll-Mantellinienform überführt wird, wobei vorzugsweise ausgehend von Lagerabschnitten, die nach der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation eine zylindrische oder konkave Gestalt haben, Lagerabschnitte mit balliger Makroform erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung einer balligen Makroform eines Lagerabschnitts ein starres Finish-Werkzeug mit vorgegebener, in Axialrichtung konkaver Arbeitsfläche verwendet wird, wobei vorzugsweise zur Erzeugung einer balligen Makroform eines Lagerabschnitts ein starres Finish-Werkzeug mit vorgegebener konkaver Arbeitsfläche verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Finish-Operation eine erste Finishstufe mit ersten Finishparametern und danach mindestens eine zweite Finishstufe mit zweiten Finishparametern durchgeführt wird, wobei vorzugsweise in der ersten Finish-Stufe mit einem Finish-Stein als Finish-Werkzeug und in der zweiten Finish-Stufe mit einem Finish-Band als Finish-Werkzeug gearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle für die Finish-Operation um die Kurbelwellenachse gedreht wird, ein mit Schneidmittel besetztes Finish-Werkzeug in einem zu bearbeitenden Lagerabschnitt mit einer Andrückkraft an eine Umfangsfläche des Lagerabschnitts angedrückt wird, ein der Andrückkraft proportionales Kraftsignal ermittelt wird, und ein Zustellweg des Finish-Werkzeugs während mindestens einer Phase der Finish-Operation in Abhängigkeit von dem Kraftsignal gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine automatische Referenzierung von Zustellbewegungen eines Finish-Werkzeugs an einem jeweils zu bearbeitenden Lagerabschnitt bei einem Erstkontakt zwischen dem Finish-Werkzeug und dem zu bearbeitenden Lagerabschnitt, wobei vorzugsweise das Finish-Werkzeug vor Beginn der Finishbearbeitung durch eine in Richtung des Lagerabschnitts geführte Zustellbewegung an den Lagerabschnitt angefahren wird, ein der Andrückkraft proportionales Kraftsignal während der Zustellbewegung überwacht wird und ein bei einem ersten Werkstückkontakt auftretender Sprung im Kraftsignal detektiert und zur Steuerung der Zustellung verarbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Finish-Operation eine Post-Prozessmessung durchgeführt wird und dabei ermittelte Messsignale oder daraus abgeleitete Signale oder Messwerte zur Korrektur der Finish-Operation verwendet werden.
Feinbearbeitungsanlage zur Feinbearbeitung von Wellen, die nach einem Urformen der Welle zunächst grob bearbeitet und ggf. gehärtet wurden, umfassend: eine oder mehrere Feinbearbeitungsvorrichtungen zur Durchführung von positionsbestimmenden Bearbeitungsoperationen an Lagerabschnitten der Wellen, wobei die Feinbearbeitungsvorrichtungen eine letzte Feinbearbeitungsvorrichtung (120) zur Durchführung einer letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation umfassen; und eine der letzten Feinbearbeitungsvorrichtung (120) nachgeschaltete Finish-Vorrichtung (160) zur Durchführung mindestens einer Finish-Operation an den bearbeiteten Lagerabschnitten nach der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation; dadurch gekennzeichnet, dass der Finish-Vorrichtung (160) eine Messvorrichtung (140) zur Messung mindestens eines Lagerabschnitts während und/oder nach Abschluss der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation vorgeschaltet ist, dass die Messvorrichtung dafür konfiguriert ist, ein Messsignal zu bestimmen, das mindestens einen Parameter repräsentiert, der eine Eigenschaft des Lagerabschnitts beschreibt, dass eine Steuereinrichtung (145) der Messvorrichtung signalleitend mit einer Steuereinrichtung (165) der Finish-Vorrichtung (160) verbunden ist und dass die Steuereinrichtung (165) zur Steuerung der Finish-Vorrichtung (160) dazu konfiguriert ist, den Betrieb der Finish-Vorrichtung in Abhängigkeit von dem Messsignal oder einem daraus abgeleiteten Signal zu steuern.
Feinbearbeitungsanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Finish-Vorrichtung dazu eingerichtet ist, eine automatische Referenzierung von Zustellbewegungen eines Finish-Werkzeugs an einem jeweils zu bearbeitenden Lagerabschnitt bei einem Erstkontakt zwischen dem Finish-Werkzeug und dem zu bearbeitenden Lagerabschnitt durchzuführen, so dass Maßangaben aus der vorgeschalteten Messung in die Steuereinrichtung (165) der Finish-Einrichtung übertragbar sind und eine Finish-Operation basierend auf den Maßangaben gezielt steuerbar ist, wobei die Finish-Vorrichtung vorzugsweise dazu eingerichtet ist, die Finish-Operation basierend auf der Referenzierung ohne weitere Messung weggesteuert durchzuführen.
Feinbearbeitungsanlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (140) in einer gesonderten Messstation zwischen der letzten Feinbearbeitungsvorrichtung (120) zur Durchführung der letzten positionsbestimmenden Bearbeitungsoperation und der Finish-Vorrichtung (160) angeordnet ist.
Feinbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (145) der Messvorrichtung signalleitend mit einer Steuereinrichtung (125) der letzten Feinbearbeitungsvorrichtung (120) verbunden ist und dass die letzte Feinbearbeitungsvorrichtung (120) dazu konfiguriert ist, den Betrieb dieser Feinbearbeitungsvorrichtung in Abhängigkeit von dem Messsignal oder einem daraus abgeleiteten Signal zu steuern.
Feinbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Feinbearbeitungsvorrichtung (120) für eine spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide eingerichtet ist, vorzugsweise für eine Innenfräsoperation, eine Außenfräsoperation oder eine Orthogonal-Drehfräsoperation.
Feinbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der letzten Feinbearbeitungsvorrichtung (120) und der Messvorrichtung (140) eine Kühlstation (130) angeordnet ist, die vorzugsweise ein Puffermagazin mit mehreren Werkstückplätzen zur Aufnahme von Wellen aufweist.
Feinbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (140) dazu konfiguriert ist, für jeden gemessenen Lagerabschnitt die Umfangskontur winkelaufgelöst und/oder in drei oder mehr axial versetzten Messebenen zu bestimmen.
Feinbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Finish-Vorrichtung (160) eine Nachmessvorrichtung zur Messung mindestens eines Lagerabschnitts nach Abschluss der Finish-Operation nachgeschaltet ist, dass die Nachmessvorrichtung dafür konfiguriert ist, ein Messsignal zu bestimmen, das mindestens einen Parameter repräsentiert, der eine Eigenschaft des Lagerabschnitts nach Abschluss der Finish-Operation beschreibt, dass eine Steuereinrichtung der Messvorrichtung signalleitend mit der Steuereinrichtung (165) der Finish-Vorrichtung (160) verbunden ist und dass die Steuereinrichtung (165) zur Steuerung der Finish-Vorrichtung (160) dazu konfiguriert ist, den Betrieb der Finish-Vorrichtung in Abhängigkeit von dem Messsignal oder einem daraus abgeleiteten Signal zu steuern.
Feinbearbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 eingerichtet ist.