DE102014117398B3

DE102014117398B3 - Verfahren zur Erzeugung von Riefen auf einer Nockenwelle

Info

Publication number: DE102014117398B3
Application number: DE102014117398.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schmitz
Original assignee: Thielenhaus Technologies GmbH
Current assignee: Thielenhaus Technologies GmbH
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: SE541231C2; US20160153540A1; SE1500474A1; US9862069B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Endbearbeitung einer Oberfläche eines wellenförmigen Werkstücks, bei dem die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei das Werkstück um eine Rotationsachse rotiert: a) Finishbearbeitung der Oberfläche mit einem ersten Finishwerkzeug, b) Bearbeitung der Oberfläche mit einem Riefenwerkzeug, wobei das Riefenwerkzeug mindestens eine in Umfangsrichtung verlaufende Riefe erzeugt, die auf einer parallel zur Rotationsachse auf der Oberfläche verlaufenden, eine durch ein Messverfahren zur Rauheitsbestimmung vorgegebene Länge aufweisenden Referenzstrecke 3 bis 12 Profilschluchten erzeugt, die jeweils eine Tiefe und eine Breite aufweisen, wobei der Quotient von Tiefe und Breite jeder Profilschlucht größer als 2 ist und ein Abstand von benachbarten Profilschluchten jeweils im Wesentlichen gleich ist, c) Bearbeitung der Oberfläche mit dem ersten Finishwerkzeug oder einem zweiten Finishwerkzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Endbearbeitung einer Oberfläche eines wellenförmigen Werkstücks.
Verfahren zu Endbearbeitung von Oberflächen von wellenförmigen Werkstücken sind beispielsweise aus DE 41 24 178 A1 , EP 2 650 081 A1 und DE 10 2013 222 359 A1 bekannt.
Die Laufeigenschaften insbesondere von Nockenwellen und die Fähigkeit, ein Schmiermittel auf der Oberfläche der Nockenwelle zu verteilen, hängen entscheidend von der Oberflächenstruktur ab. Ein Maß für die Oberflächenstruktur ist die Rauheit. Hierbei ist es wünschenswert, dass die Oberfläche, insbesondere die einer Lagerstelle der Nockenwelle, einzelne tiefe Riefen aufweist, wobei der Bereich zwischen den Riefen möglichst „glatt” sein soll. Um das mit bekannten Methoden ermittelte Rauheitsprofil einer Oberfläche zu charakterisieren, ist es bekannt, das auf einer Messstrecke ermittelte Rauheitsprofil in eine Abbott-Kurve zu überführen, wobei bei einem S-förmigen Verlauf der Abbott-Kurve aus der Abbott-Kurve Parameter wie Kernrauhtiefe R_k, reduzierte Spitzenhöhe R_pk und reduzierte Riefentiefe R_vk bestimmt werden können. Im Rahmen dieser Nomenklatur ist es bereits möglich, dass eine relativ kleine reduzierte Spitzenhöhe R_pk bei relativ großer reduzierter Riefentiefe R_vk erreicht wird, die wiederum in der Größenordnung der Kernrauhtiefe R_k liegt. Zur Erzielung einer solchen Oberfläche ist es bekannt, die Oberfläche zunächst mit einem relativ grobkörnigen Werkzeug zu bearbeiten und anschließend mit einem relativ feinkörnigen Werkzeug zu polieren.
Mit der bekannten Methode ist aber das Problem verbunden, dass eine gegenüber der Kernrauhtiefe R_k überhöhte reduzierte Riefentiefe R_vk durch Erzeugung tieferer Riefen nicht wiederholbar erreicht werden kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das mit Bezug zum Stand der Technik geschilderte Problem zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren zur Endbearbeitung einer Oberfläche eines wellenförmigen Werkstücks anzugeben, durch welches eine Oberfläche mit kleiner reduzierter Spitzenhöhe R_pk und einer gegenüber der Kernrauhtiefe R_k überhöhten reduzierten Riefentiefe R_vk sicher erzeugt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung angegeben, wobei Merkmale der vorteilhaften Weiterbildungen in technologisch sinnvoller Weise beliebig miteinander kombinierbar sind.
Gelöst werden diese Aufgaben insbesondere durch ein Verfahren zur Endbearbeitung einer Oberfläche eines wellenförmigen Werkstücks, bei dem die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei das Werkstück um eine Rotationsachse rotiert:

a) Finishbearbeitung der Oberfläche mit einem ersten Finishwerkzeug,
b) Bearbeitung der Oberfläche mit einem Riefenwerkzeug, wobei das Riefenwerkzeug mindestens eine in Umfangsrichtung verlaufende Riefe erzeugt, die auf einer parallel zur Rotationsachse auf der Oberfläche verlaufenden, eine durch ein Messverfahren zur Rauheitsbestimmung vorgegebene Länge aufweisenden Referenzstrecke 3 bis 12, bevorzugt 4 bis 8, besonders bevorzugt genau 5 Profilschluchten erzeugt, die jeweils eine Tiefe und eine Breite aufweisen, wobei der Quotient von Tiefe und Breite jeder Profilschlucht größer als 2 ist und ein Abstand von benachbarten Profilschluchten jeweils im Wesentlichen gleich ist,
c) Bearbeitung der Oberfläche mit dem ersten Finishwerkzeug oder einem zweiten Finishwerkzeug.

Insbesondere werden bei den Bearbeitungsschritten a) und c) das erste Finishwerkzeug oder das zweite Finishwerkzeug parallel zu der Rotationsachse der Nockenwelle oszillierend bewegt. Eine solche Bearbeitung ist auch als Microfinishen bekannt.
Die Referenzstrecke ist insbesondere eine parallel zur Rotationsachse verlaufende Linie auf der Oberfläche des Werkstücks, entlang welcher nach einer Endbearbeitung die Rauheit des Werkstückes gemessen wird. Die Länge der Referenzstrecke entspricht der Länge der für die Ermittlung der Rauheit, insbesondere für die Ermittlung der Abbott-Kurve herangezogenen Messstrecke, die ein Vielfaches, insbesondere das Fünffache von einer Einzelmessstrecke beträgt, wobei die Länge der Einzelmessstrecke dabei zahlenmäßig der Grenzwellenlänge des Profilfilters λ_c entspricht, mit dem aus dem Primärprofil das Rauheitsprofil hergeleitet wird. Das Rauheitsprofil des Werkstückes wird also entlang der Referenzstrecke ermittelt. Verfahren zur Ermittlung des Rauheitsprofils sind dabei aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere sind die Ermittlungsmethoden, die Auswertemethoden und die entsprechenden Parameter der Rauheitsbestimmung in den Normen zur Geometrischen Produktspezifikation (GPS) definiert. Insbesondere sei hierbei auf die folgenden Normen verwiesen: DIN EN ISO 3274, DIN EN ISO 4287, DIN EN ISO 4288, sowie die Teile 1 bis 3 der DIN EN ISO 13565, insbesondere in der Fassung, in der sie in dem „DIN-Taschenbuch 488” (ISBN 978-3-410-23275-9) angegeben sind. Eine Übersicht über die Rauheitsmessung und Ermittlung der Rauheitsparameter ist zudem beispielsweise in dem Skript der Universität Stuttgart „Oberflächenbeurteilung, Rauheitsmessung, allgemeines Praktikum Maschinenbau und Hauptfachversuch, Universität Stuttgart, Institut für Maschinenelemente, Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Haas” gegeben.
Bei der Bearbeitung in Schritt b) erzeugt das Riefenwerkzeug eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Riefen. Beim Schnitt mit der Referenzstrecke erzeugen diese Riefen Profiltäler, die mit der Rauheitsmessung entlang der Referenzstrecke ermittelt werden. Erfindungsgemäß weisen nun 3 bis 12 Profiltäler auf der Referenzstrecke einen Quotient von Tiefe und Breite von größer als 2 und einen über die Referenzstrecke gleichen Abstand benachbarter Profiltäler auf. Diese Profiltäler werden als Profilschluchten bezeichnet.
Die erfindungsgemäßen Profilschluchten entsprechen also den 3 bis 12, bevorzugt 4 bis 8, besonders bevorzugt genau 5 tiefsten Profiltälern im auf der Referenzstrecke ermittelten Rauheitsprofil. Diese tiefsten, als Profilschluchten bezeichneten Profiltäler müssen im Rauheitsprofil erfindungsgemäß mit einem im wesentlichen gleichen Abstand zueinander angeordnet sein und den erfindungsgemäßen Quotienten von Tiefe zu Breite aufweisen.
Anders ausgedrückt sind die erfindungsgemäßen Profilschluchten insbesondere die Profiltäler im Rauheitsprofil, deren Tiefe deutlich größer ist als die Tiefe der übrigen Profiltäler im Rauheitsprofil, insbesondere doppelt so tief, bevorzugt dreimal so tief wie die übrigen Profiltäler. Insbesondere sind auf der Referenzstrecke zwischen den erfindungsgemäßen Profilschluchten mindestens 50 (unregelmäßige) Profiltäler ausgebildet, wobei eine mittlere Tiefe aller (einschließlich der Profilschluchten) Profiltäler des Rauheitsprofil in diesem Zusammenhang als Referenz für die relativ große Tiefe der erfindungsgemäßen Profilschluchten herangezogen werden kann.
Die Breite einer erfindungsgemäßen Profilschlucht ist die Breite des entsprechenden Profiltals im Rauheitsprofil. Bevorzugt ist der Quotient von Tiefe und Breite jeder erfindungsgemäßen Profilschlucht größer als 3, besonders bevorzugt größer als 4, wobei der Quotient bevorzugt höchstens 10, besonders bevorzugt höchstens 7 ist. Aus technischen Gründen kann ein Profilteil mit einem Quotient von größer als 10 in der Regel nicht hergestellt werden.
Die Länge der Referenzstrecke ist insbesondere höchstens 40 mm [Millimeter], bevorzugt höchstens 4 mm. Die Länge der Referenzstrecke ist insbesondere 0,4 mindestens mm. Entsprechend ist der gleichmäßige Abstand der benachbarten Profilschluchten in einer Größenordnung von Millimetern, zehntel Millimetern beziehungsweise hundertstel Millimetern. Entsprechend liegt dabei die Breite der Profilschluchten in einer Größenordnung von ungefähr hundert Mikrometern, zehn Mikrometern beziehungsweise einem Mikrometer. Die Tiefe der Profilschluchten ist dabei entsprechend größer als das Doppelte der Breite. Die Länge der Referenzstrecke entspricht insbesondere der gemäß der Norm DIN EN ISO 4288 in Abhängigkeit der Rauheit zu wählenden Messstrecke, wobei die Messstrecke das Fünffache einer Einzelmessstrecke ist, welche wiederum zahlenmäßig die gleiche Größe hat wie die Grenzwellenlänge λ_c für den Rauheitsprofilfilter.
Mit im Wesentlichen gleichen Abstand von benachbarten Profilschluchten ist gemeint, dass die Abstände von jeweils benachbarten, erfindungsgemäßen Profilschluchten um nicht mehr als 20% von dem Mittelwert aller Abstände erfindungsgemäßer benachbarter Profilschluchten abweicht.
Die zur Erzeugung der Riefen insbesondere als Körner oder an Körnern ausgebildeten insbesondere keilförmigen Schneiden des Riefenwerkzeuges werden in Schritt b) insbesondere mit einer vorgebbaren Kraft auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks aufgedrückt. Hierbei erzeugen die Schneiden durch spanenden Abtrag und/oder Verformung der Oberfläche eine Riefe. Die dabei an den seitlichen Rändern der Riefe entstehende Aufwerfung wird anschließend durch den Bearbeitungsschritt c) in ihrer Höhe verringert oder sogar vollständig entfernt.
Unter wellenförmigen Werkstücken sollen insbesondere Kurbelwellen, Nockenwellen und Getriebewellen verstanden werden. Zur Erzeugung der Riefe(n) weist das Riefenwerkzeug mindestens eine insbesondere an einen Korn ausgebildete Schneide auf. Die Schneide ist insbesondere an einem in einem Bindemittel gebundenen Korn gebildet. Die Schneide kann aber auch durch alternative Mittel, beispielsweise eine Diamantenspitze, zur Erzeugung der furchenartigen Riefe(n) ausgebildet sein. Das Riefenwerkzeug kann insbesondere genau eine Schneide oder mehrere mit einem Abstand zueinander angeordnete Schneiden aufweisen.
In Schritt c) wird durch die Finishbearbeitung die reduzierte Spitzenhöhe R_pk reduziert, ohne dass die reduzierte Riefentiefe R_vk wesentlich beeinflusst wird, wobei sich die Rauhtiefe R_k nur leicht gegenüber den im Anschluss an die nach der Bearbeitung in Schritt b) geltenden Werten verändert. Schritt c) dient dazu, die Aufwerfungen an den die Riefen zu entfernen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Oberfläche geschaffen werden, deren Rauheitsprofil entlang der Referenzstrecke in einer Abbott-Kurve einen S-förmigen Verlauf hat, wobei die reduzierte Spitzenhöhe R_pk relativ gering ist und die reduzierte Riefentiefe R_vk größer ist als die Kernrauhtiefe R_k. Zur Bestimmung der aus einer Abbott-Kurve bestimmbaren Kenngrößen sei insbesondere auf DIN EN ISO 13565-2 verwiesen.
Die im Folgenden zunächst beschriebenen Verfahren können durchgeführt werden, wenn das Riefenwerkzeug mehrere mit einem dem Abstand der Profilschluchten entsprechenden Abstand zueinander angeordnete Schneiden auf einer der Länge der Referenzstrecke entsprechenden Länge umfasst.
Um die in Umfangsrichtung der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks verlaufenden, auf der Referenzstrecke die Profilschluchten erzeugenden Riefen zu erzeugen, ist insbesondere vorgesehen, dass sich das Riefenwerkzeug während der Rotation des Werkstücks in Schritt b) parallel zur Rotationsachse nicht bewegt. Während also in den Bearbeitungsschritten a) und c) das erste Finishwerkzeug oder das zweite Finishwerkzeug parallel zu der Rotationsachse oszilliert, wird in Schritt b) das Riefenwerkzeug an einer Stelle festgelegt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass sich auch in Schritt b) das Riefenwerkzeug parallel zu der Rotationsachse oszillierend bewegt, wobei in Schritt b) das Werkstück mindestens eine vollständige Umdrehung ausführt und das Riefenwerkzeug wenigstens eine vollständige Oszillationsbewegung parallel zur Rotationsachse ausführt. Dies hat zur Folge, dass auf der Oberfläche des Werkstücks Riefen ausgebildet werden, die auch eine Erstreckungskomponente in Richtung der Rotationsachse aufweisen und sich gegebenenfalls gegenseitig schneiden. Somit kann eine Verteilung des Schmiermittels durch die Riefen auch parallel zur Rotationsachse auf der Oberfläche des Werkstücks erfolgen.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Rotation des Werkstücks und die Bewegung des Riefenwerkzeuges in Schritt b) so synchronisiert sind, dass nach einer Rotation des Werkstücks um 360° das Riefenwerkzeug genau eine oder eine Anzahl von mehreren vollständige(n) Oszillationsbewegung(en) ausgeführt hat. Eine solche Verfahrensführung hat zur Folge, dass in sich selbst endende Riefen auf der Umfangsfläche des Werkstücks ausgebildet werden, so dass das Schmiermittel in den Riefen in einer Richtung parallel zur Rotationsachse verteilt werden kann. In diesem Zusammenhang ist insbesondere bevorzugt, dass eine Amplitude der Oszillation des Riefenwerkzeuges in Schritt b) in Richtung der Rotationsachse kleiner ist als der Abstand zweier benachbarter, zur Erzeugung der Riefen ausgebildeter Schneiden.
Um besonders tiefe Riefen und damit tiefe Profilschluchten herstellen zu können, kann vorgesehen sein, dass eine Höhe der Schneiden des Riefenwerkzeuges in Richtung der Oberfläche des Werkstücks mehr als doppelt so groß ist wie deren Ausdehnung parallel zur Rotationsachse. Bevorzugt beträgt die Ausdehnung jeder Schneide parallel zu der Rotationsachse höchstens 100 μm [Mikrometer], bevorzugt höchstens 50 μm, ganz besonders bevorzugt höchstens 10 μm, wobei gegebenenfalls der Abstand zwischen den Schneiden eine Größe in Abhängigkeit von der Länge der Referenzstrecke und der Anzahl der Profilschluchten hat. Die Ausdehnung jeder Schneide parallel zur Rotationsachse beträgt insbesondere mindestens 1 μm.
Mehrere Profilschluchten entlang der Referenzstrecke können aber auch mittels nur einer auf einer der Länge der Referenzstrecke entsprechenden Länge an dem Riefenwerkzeug ausgebildeter Schneide erzeugt werden, indem in Schritt b) das Werkstück eine der Anzahl der Profilschluchten entsprechende Anzahl an vollständigen Rotationen durchführt und das Riefenwerkzeug währenddessen eine der Länge der Referenzstrecke entsprechende lineare Bewegung parallel zu der Rotationsachse ausführt. Hierbei schneidet die Schneide also die auf der Umfangsfläche, parallel zu der Rotationsachse ausgebildete Referenzstrecke entsprechend der erfindungsgemäßen Anzahl der Profilschluchten, wobei auf der Oberfläche des Werkstücks auf der Länge der Referenzstrecke genau eine schraubenförmige Riefe erzeugt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Riefenwerkzeug ein Schleifband ist, das die mindestens eine Riefe durch mindestens ein vereinzeltes, relativ großes Schleifkorn erzeugt. Die relativ großen Schleifkörner haben insbesondere eine wie oben angegebene Ausdehnung parallel zu der Rotationsachse, die auch als deren Korngröße aufgefasst werden kann.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine die Riefe(n) erzeugende (die Schneide bildende) Korn in seiner Ausdehnung parallel zur Rotationsachse mindestens doppelt, bevorzugt mindestens viermal so groß ist wie die übrigen Körner des Schleifbandes.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Riefenwerkzeug ein Finishstein ist, welcher die Riefe(n) durch mindestens einen (die Schneide bildenden) Vorsprung oder durch definierte, mit einem dem Abstand der Profilschluchten entsprechenden Abstand zueinander angeordnete Vorsprünge erzeugt.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Riefenwerkzeug ein Strukturvlies ist, welches die Riefe(n) durch ein Korn erzeugt oder durch mehrere Körner erzeugt, die mit einem dem Abstand der Profilschluchten entsprechenden Abstand parallel zur Rotationsachse zueinander an Fasern des Strukturvlieses angeordnet sind. Die Körner können dabei vereinzelt an der Faser angeordnet sein.

Claims

Verfahren zur Endbearbeitung einer Oberfläche eines wellenförmigen Werkstücks, bei dem die folgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei das Werkstück um eine Rotationsachse rotiert: a) Finishbearbeitung der Oberfläche mit einem ersten Finishwerkzeug, b) Bearbeitung der Oberfläche mit einem Riefenwerkzeug, wobei das Riefenwerkzeug mindestens eine in Umfangsrichtung verlaufende Riefe erzeugt, die auf einer parallel zur Rotationsachse auf der Oberfläche verlaufenden, eine durch ein Messverfahren zur Rauheitsbestimmung vorgegebene Länge aufweisenden Referenzstrecke 3 bis 12 Profilschluchten erzeugt, die jeweils eine Tiefe und eine Breite aufweisen, wobei der Quotient von Tiefe und Breite jeder Profilschlucht größer als 2 ist und ein Abstand von benachbarten Profilschluchten jeweils im Wesentlichen gleich ist, c) Bearbeitung der Oberfläche mit dem ersten Finishwerkzeug oder einem zweiten Finishwerkzeug.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich das Riefenwerkzeug während der Rotation des Werkstücks in Schritt b) parallel zur Rotationsachse nicht bewegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt b) das Werkstück mindestens eine vollständige Umdrehung ausführt und das Riefenwerkzeug wenigstens eine vollständige Oszillationsbewegung parallel zur Rotationsachse ausführt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Rotation des Werkstücks und die Bewegung des Riefenwerkzeuges in Schritt b) so synchronisiert sind, dass nach einer Rotation des Werkstücks um 360° das Riefenwerkzeug genau eine oder eine Anzahl von mehreren vollständige(n) Oszillationsbewegung(en) ausgeführt hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt b) das Werkstück eine der Anzahl der Profilschluchten entsprechende Anzahl an vollständigen Rotationen durchführt und das Riefenwerkzeug währenddessen eine der Länge der Referenzstrecke entsprechende lineare Bewegung parallel zu der Rotationsachse ausführt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Riefenwerkzeug ein Schleifband ist, das die Riefen durch mindestens ein vereinzeltes, relativ großes Schleifkorn erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das mindestens eine die Riefen erzeugende Korn in seiner Ausdehnung parallel zur Rotationsachse mindestens doppelt so groß ist wie die übrigen Körner des Schleifbandes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Riefenwerkzeug ein Finishstein ist, welcher die Riefen durch mindestens einen Vorsprung oder durch definierte, mit einem dem Abstand der Profilschluchten entsprechenden Abstand zueinander angeordnete Vorsprünge erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Riefenwerkzeug ein Strukturvlies ist, welches die Riefen durch mindestens ein Korn erzeugt oder durch mehrere Körner erzeugt, die mit einem dem Abstand der Profilschluchten entsprechenden Abstand parallel zur Rotationsachse zueinander an Fasern des Strukturvlieses angeordnet sind.