DE60003835T2 - Verfahren zum schleifen von kurbelzapfen - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft das Schleifen von Kurbelzapfen, insbesondere ein verbessertes Verfahren zum Feinschleifen solcher Komponenten, besonders Kurbelzapfen von Stahlkurbelwellen, unter Verwendung einer computergesteuerten Schleifmaschine.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Beim Feinschleifen beträgt die Tiefe des zu entfernenden Materials üblicherweise weniger als 0,5 mm im Radius.
  • Kurbelzapfen werden herkömmlicherweise unter Anwendung eines kontinuierlichen Vorschubverfahrens geschliffen, bei dem die drehende Schleifscheibe in das Werkstück vorgeschoben wird, indem der Schleifspindelstock vorrückt, während das Werkstück gedreht wird. Die Vorrückgeschwindigkeit der Scheibe wird üblicherweise verringert, wenn das Werkstück sich seiner Endgröße nähert, sobald es seine Größe erreicht hat, wird ein Ausfunken bei Stillstand der Scheibe durchgeführt. Dies besteht üblicherweise aus einigen Umdrehungen des Werkstücks, während der Schleifspindelstock (auf dem die drehende Schleifscheibe getragen wird) fest an seiner Stelle bezüglich des Werkstücks bleibt, wobei die Scheibe den Zapfen nur streift.
  • Während des restlichen Verfahrens wird der Schleifspindelstock computergesteuert vorgerückt und zurückgezogen, um den Kontakt zwischen der Scheibe und dem Kurbelzapfen aufrechtzuerhalten, wenn dieser um die Kurbelwellenachse gedreht wird. Die Kurbelwelle wird von einem Spindelkastenantrieb angetrieben.
  • Ein typisches Beispiel eines solchen Verfahrens, bei dem 0,3 mm an Materialtiefe am Radius entfernt werden soll, ist folgendes:
  • Schnelles Vorrücken der Scheibe, bis das Werkstück 0,4 mm über der Endgröße liegt, bei einer Geschwindigkeit von 100 mm/s.
  • Schneller Vorschub der Scheibe auf 0,07 mm über der Endgröße bei einer Geschwindigkeit von 70 μm/s.
  • Mittlerer Vorschub der Scheibe auf 0,015 mm über der Endgröße bei einer Geschwindigkeit von 15 μm/s.
  • Langsamer Vorschub der Scheibe zum Erreichen der Endgröße bei einer Geschwindigkeit von 3,5 μm/s.
  • Stillstand der Scheibe, um einen streifenden Kontakt aufrechtzuerhalten, um ein Ausfunken während zwei oder mehr Umdrehungen des Werkstücks zu erreichen.
  • Bei einem solchen Verfahren ist die übliche Arbeitsdrehzahl 20 U/min bei den frühen Schritten, wobei eine Arbeitsdrehzahl von 10 U/min manchmal während des langsamen Vorschubs und des Stillstands zum Erreichen des Ausfunkens verwendet wird.
  • Das Scheibenmaterial ist üblicherweise CBN, und eine typische Scheibenoberflächengeschwindigkeit ist 115 m/s.
  • Die Scheibenbreite kann 42 mm betragen.
  • Kühlmittel wird üblicherweise unter hohem Druck und mit hoher Fließgeschwindigkeit in den Angriffsbereich von Scheibe und Werkstück aufgebracht.
  • Probleme, die bei dem herkömmlichen Verfahren auftreten
  • Das herkömmliche Verfahren hat sich beim Schleifen von Kurbelzapfen gusseiserner Kurbelwellen bewährt, es sind jedoch Probleme aufgetreten, wenn versucht wurde, unter Verwendung von CBN-Schleifscheiben ähnliche Komponenten aus Stahl zu schleifen, insbesondere große Stahl-Kurbelwellen wie für 6-Zylinder-Dieselmotoren. Je größer die Kurbelwellenkröpfung, desto mehr Probleme sind aufgetreten.
  • Insbesondere zwei Auswirkungen wurden beobachtet.
    • 1. Hydrodynamische Wirkung des Kühlmittels. Durch den hohen Druck des Kühlmittels, das auf den Kontaktbereich zwischen dem Werkstück und der Scheibe aufgebracht wird, kann eine hydrodynamische Wirkung auftreten. Diese neigt dazu, die Scheibe und das Werkstück voneinander weg zu zwingen.
    • 2. Ablenkungen des Werkstücks unter Schleifkräften. Insbesondere beim Schleifen mit CBN-Scheiben wird Energie in der Scheibe und in dem Werkstück gespeichert, besonders aufgrund der Schneidkraft, die durch den Schleifspindelstock und die Scheibe auf die Kurbelwelle aufgebracht wird, und aufgrund deren Steifigkeit. Das führt dazu, dass die Scheibe und die zu schleifende Kurbelwelle um mehrere Mikrometer abgelenkt werden. Während des Ausfunkens verringern sich die Ablenkungen, die in der Scheibe und dem Werkstückteil unter Last auftreten, während die Scheibe noch in einer Position ist, in der sie alle vorspringenden Punkte entfernt, die auftreten, während das Werkstück sich entspannt. Dieser Vorgang hat üblicherweise zu einer relativ guten Endgröße des geschliffenen Bereichs geführt.
  • Jedoch bedeutet eine ungleichmäßige Abnutzung der Scheibe unter anderem, dass das Ausfunken nicht unbedingt zu einer zylindrisch genauen Komponente führt, und Prall- und Schleifriefen sind regelmäßig nach Beendigung des Ausfunkens festgestellt worden.
  • Die Rundheits- und Oberflächenfehler sind offenbar stärker, wenn CBN-Scheiben verwendet werden, bei denen Trennkräfte weit größer sind als beispielsweise bei Verwendung von A10x-Schleifscheiben. Die Steifigkeit einer CBN-Scheibe ist größer als die einer A10x-Scheibe ähnlicher Größe, und die Stärke der Ablenkung, die entsteht, wenn eine CBN-Scheibe verwendet wird, ist tendenziell größer, als wenn eine A10x-Scheibe verwendet wird. Diese Ablenkungen in Verbindung mit der hydrodynamischen Wirkung von Hochdruck-Kühlmittel bedeuteten, dass während des Ausfunkens die Schleifscheibe dazu neigte, auf die zu schleifende Oberfläche auf- und wieder davon abzuprallen. Durch dieses Prallen verursachte Schleifriefen sind offenbar stärker, wenn die zu schleifende Oberfläche sich von der Schleifscheibe weg dreht (d.h. wenn das Teil nicht auf die Scheibe gezwungen/gedreht wird).
  • Das frühere Dokument EP-A-903200 der Anmelderin offenbart eine Maschine zum Schleifen eines Kurbelzapfens, die um die Hauptachse einer Kurbelwelle dreht, wobei während eines letzten Schleifstadiums die Kühlmittelfließgeschwindigkeit reduziert wird, so dass sie niedriger ist als die, die bei dem vorherigen Schleifstadium herrschte.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schleifen eines Kurbelzapfens einer Kurbelwelle unter Verwendung einer Schleifmaschine mit je einem computergesteuerten Scheibenvorschub- und Spindelkastenantrieb zur Verfügung gestellt, wobei Letzterer zum Drehen der Kurbelwelle um ihre Hauptachse und daher zum Drehen des Zapfens als Ganzes dient, wobei der Scheibe und dem Zapfen während des Schleifens Kühlmittel zugeführt wird und wobei während eines abschließenden Schleifschritts, der zur Endgröße fährt:
    • (i) die Schneidkraft an dem Schleifspindelstock aufrechterhalten wird, um die Scheibe und den Zapfen bis zum Ende des Schleifens und ohne Ausfunkschritt unter mäßiger konstanter Belastung zu halten;
    • (ii) die Drehzahl des Spindelkastenantriebs und damit der Kurbelwelle und des Zapfens verringert wird; und
    • (iii) während des abschließenden Schleifschritts die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels unter die Fließgeschwindigkeit gesenkt wird, mit der es während des vorigen Teils des Schleifverfahrens zugeführt wurde;
    um so das Auftreten von Prall- und Schleifriefen in der Oberfläche des Zapfens zu verhindern.
  • Vorzugsweise ist die Schleifscheibe eine CBN-Scheibe, und die Schleifmaschine umfasst je einen computergesteuerten Scheibenvorschub- und Spindelkastenantrieb, wobei Letzterer das Werkstück während des Schleifens dreht, wobei der größere Teil des Metalls, das zu entfernen ist, um einen Kurbelzapfen auf die gewünschte Größe zu schleifen, auf bekannte Art entfernt wird, und, wenn der Zapfen sich der Endgröße nähert und nur noch ungefähr 50 μm des Radius zu entfernen sind, der Zapfen ausgemessen und die genaue Übergröße bestimmt wird und die Arbeitsdrehzahl auf eine Drehzahl im Bereich von 1 bis 5 U/min verringert wird, typischerweise 3 U/min, und der Scheibenvorschub so gesteuert wird, dass während einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle ein letzter Tiefenabschnitt am Umfang des Zapfens entfernt wird, dessen Größe durch die Messung bestimmt wird, woraufhin der Schleifspindelstock zurückgezogen wird, so dass die Scheibe den Zapfen vollständig freigibt, ohne Ausfunkschritt, und der Zapfen auf die gewünschte Größe geschliffen zurückbleibt.
  • Gemäß einer weiteren Modifikation wird die Scheibendrehzahl während des Schleifens der Zapfen in Intervallen geändert, um das ungleichmäßige Abnutzungsmuster zu verringern, das andernfalls um die Schleiffläche der Scheibe auftreten kann.
  • Es hat sich herausgestellt, dass eine Scheibe sich an einigen Stellen um ihren Umfang mehr abnutzen kann als an anderen. Dies wird anscheinend von einer Unwucht der Scheibe verursacht. Es wird angenommen, dass diese Unwucht eine Vibration mit einer bestimmten Frequenz hervorruft, wodurch voneinander beabstandete Bereiche um die Scheibe sich stärker abnutzen als andere, so dass sie einen so genannten Naseneffekt an der Schleifscheibe bewirken. Es wurde festgestellt, dass dies wiederum eine der Ursachen für regeneratives Rattern ist.
  • Dementsprechend kann die Scheibendrehzahl geändert werden, nachdem jeder n-te Zapfen geschliffen wurde.
  • Typischerweise ist n gleich 3.
  • Typischerweise liegt die Änderung der Drehzahl im Bereich von ±2–5% der Nenndrehzahl der Scheibe.
  • Durch das Ändern der Scheibendrehzahl ändern sich die Positionen von Punkten, an denen Abnutzung wie oben beschrieben auftreten kann, so dass eine zusätzliche Abnutzung an der Schleifscheibe während jeder Umdrehung der Scheibe an verschiedenen Stellen um den Umfang der Scheibe auftritt, anstatt immer an denselben Stellen.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren wie oben erwähnt für das Schleifen des Kurbelzapfens einer Stahlkurbelwelle eines großen (d.h. 6-Zylinder-)Dieselmotors.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung der oben beschriebenen Kurbelzapfen-Schleifverfahren.
  • Die Erfindung wird nun beispielartig unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:
  • In der Zeichnung ist der Hauptrahmen einer Schleifmaschine für Kurbelwellen mit 10 bezeichnet dargestellt.
  • Eine erste Gleitbahn 12, die von dem Rahmen getragen wird, stützt einen Arbeitstisch 14, der entlang dieser gleiten kann und der durch einen Arbeitstisch-Antriebsmotor 16 von einer Position zur anderen in dem Maß, das die Länge der Gleitbahn ermöglicht, einstellbar ist.
  • Eine zweite Gleitbahn 18 parallel zu der ersten trägt einen Aufspannspindelstock (Spindelkasten) 20 und einen Reitstock 22 mit einem Werkstückhalter 23. Die Drehung eines Kurbelwellen-Werkstücks (nicht gezeigt), das zwischen dem Spindelkasten 20 und dem Reitstock 22 angebracht ist, wird durch einen Spindelkastenantrieb (Motor) 24 bewirkt, dessen Drehung über ein Spannfutter oder eine andere Werkstückhalte- und Antriebseinrichtung 26 auf das Werkstück übertragen wird. Die Winkelstellung und Drehzahl des Antriebsmotors (und daher des Werkstücks) wird durch Signale von einem Tachogenerator 28 gemessen.
  • Praktischerweise ist der Antriebsmotor 24 ein Schrittmotor, der es ermöglicht, dem Werkstück eine sehr genaue Winkelstellung zu geben.
  • Die Bewegung des Spindelkastens 20 und des Reitstocks 22 entlang der Gleitbahn 18 wird durch Antriebe 30 bzw. 32 bewirkt. Wenn, wie üblich, der Spindelkasten 20 an dem Arbeitstisch 14 befestigt ist, kann auf den Antriebsmotor 30 verzichtet werden.
  • Eine Schleifscheibe 34 ist an der Antriebswelle des Motors 36 selbst an einem Schleifspindelstock 38 befestigt, der entlang einer dritten Gleitbahn 40 gleiten kann, die sich senkrecht zu den Gleitbahnen 12 und 18 und dadurch auch zu der Werkstückachse erstreckt – bezeichnet mit dem Bezugszeichen 42.
  • Die Bewegung des Schleifspindelstocks 38 entlang 40 wird durch einen elektromagnetischen Linearantrieb gesteuert, der gestrichelt dargestellt und mit 44 bezeichnet ist, und hydrostatische Lager werden typischerweise zwischen der Gleitbahn 40 und dem Schleifspindelstock 38 verwendet.
  • Der Strom für die Motoren 16, 24, 30, 32, 36 und 44 wird von einer kombinierten Stromzufuhr- und computergestützten Steuerungseinheit 46 zugeführt, und Stromzufuhr- und Steuerungssignal-Übertragungswege sind schematisch durch 48 (für den Scheibenantrieb 36), 50 (für den Schleifspindelstock-Antrieb 44), 52 (für den Arbeitstisch-Antriebsmotor 16), 54 (für den Reitstock-Positionierungsantrieb 32), 56 (für den Spindelkasten-Positionierungsantrieb 30) und 58 (für den Werkstück-Antriebsmotor 24) dargestellt.
  • Signale, die dem Tachogenerator 28 die Drehzahl des Werkstücks anzeigen, werden durch 60 an 46 geleitet, und Signale von einem und an ein Messgerät 62 werden über einen Übertragungsweg 64 übertragen. Das Messgerät 62 besteht aus einem Stützportal 66, einem Kopf 68 und einer Schieblehre 70, wobei das Portal an dem Schleifspindelstock befestigt ist, um sich mit ihm zu bewegen. Obgleich dies nicht gezeigt ist, umfasst das Portal ein zusätzliches Antriebsmittel zum Ausstrecken und Zurückziehen des Kopfs 68 bezüglich des Werkstücks, und der Kopf kann ein Antriebsmittel zum Bewegen der Schieblehre bezüglich des Kopfs und des Werkstücks aufweisen. Signale zur Steuerung der Bewegung und Positionierung des Portals, des Kopfs und der Schieblehre sowie Signale, die den Durchmesser eines gemessenen Teils anzeigen, werden in geeigneter Weise entlang dem mit 64 bezeichneten Übertragungsweg an und von 46 übertragen.
  • Durch Eingabe eines geeigneten Befehlssatzes/-programms in den Computer in 46 kann die Maschine so eingestellt werden, dass sie ein Werkstück schleift, dass zwischen 26 und 28 befestigt ist, und den Durchmesser des geschliffenen Bereichs des Werkstücks misst, kurz bevor dessen Endgröße erreicht wird. Danach steuert der Computer den Scheibenvorschubantrieb 38, um eine angemessene Schneidkraft aufrechtzuerhalten (um eine gewünschte Schnitttiefe zu erreichen) und um die Drehzahl des Werkstück-Antriebsmotors 24 zu verringern. Im Allgemeinen hat sich herausgestellt, dass es wünschenswert und möglich ist, den Motor so zu steuern, dass er das Werkstück nur einmal nach dem Messen dreht, indem die gewünschte Schnitttiefe so gesteuert wird, dass bei einer einzigen Umdrehung genau die gewünschte Metalltiefe entfernt wird, so dass der Bereich die gewünschte Endgröße erhält. Die Scheibe kann dann vollständig aus dem Angriff entfernt werden, im Gegensatz dazu, dass sie in streifendem Kontakt bleibt, um einen Ausfunkschritt durchzuführen, was nicht mehr erforderlich ist.
  • Kühlflüssigkeit wird durch eine Düse 72 von einer Pumpe (nicht gezeigt) zugeführt, und ein Ventil 74 regelt den Fluss des Kühlmittels zu der Düse und kann lediglich den Fluss begrenzen oder mehr oder weniger des Flusses zurück in ein Reservoir leiten, aus dem er durch die Pumpe abgezogen wird. Der Betrieb des Ventils 74 wird auch durch computererzeugte Signale von 46 gesteuert, und Strom- und Steuerungssignale werden an das Ventil 74 über einen Übertragungsweg 76 geleitet.
  • Gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren wird der Kühlmittelstrom wenigstens während einer letzten Umdrehung des Werkstücks bei einem Schleifvorgang, der an einem Bereich dieses Werkstücks durchgeführt wird, reduziert, um die hydrodynamischen Kräfte an dem Werkstück während dieser letzten Umdrehung zu verringern.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Schleifen eines Kurbelzapfens einer Kurbelwelle unter Verwendung einer Schleifmaschine mit je einem computergesteuerten Scheibenvorschub- und Spindelkastenantrieb (44, 24), wobei Letzterer zum Drehen der Kurbelwelle um ihre Hauptachse und daher zum Drehen des Zapfens als Ganzes dient, wobei der Scheibe (34) und dem Zapfen während des Schleifens Kühlmittel zugeführt wird und wobei während eines abschließenden Schleifschritts, der zur Endgröße führt: (i) die Schneidkraft an dem Schleifspindelstock (38) aufrechterhalten wird, um die Scheibe und den Zapfen bis zum Ende des Schleifens und ohne Ausfunkschritt unter mäßiger konstanter Belastung zu halten; (ii) die Drehzahl des Spindelkastenantriebs (24) und damit der Kurbelwelle und des Zapfens verringert wird; und (iii) während des abschließenden Schleifschritts die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels unter die Fließgeschwindigkeit gesenkt wird, mit dem es während des vorigen Teils des Schleifverfahrens zugeführt wurde; um so das Auftreten von Prall- und Schleifriefen in der Oberfläche des Zapfens zu verhindern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Drehzahl des Spindelkastenantriebs (24) während des abschließenden Schritts im Bereich von 1 bis 5 Umdrehungen pro Minute liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem während des abschließenden Schritts beim Schleifen jedes Zapfens der Scheibenvorschub so eingestellt wird, dass eine ausreichende Tiefe an Material während einer einzelnen Drehung der Kurbelwelle entfernt wird, um dem Kurbelzapfen seine Endgröße zu geben.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Zapfen ausgemessen wird, bevor der abschließende Schleifschritt durchgeführt wird, um die Tiefe des Schnitts zu bestimmen, die nötig ist, um die Endgröße zu erreichen, und bei dem der Schleifspindelstock (38) so gesteuert wird, dass die Tiefe an Metall entfernt wird, die notwendig ist, um diese Endgröße zu erreichen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schleifscheibe (34) eine CBN-Scheibe ist und die Schleifmaschine je einen computergesteuerten Scheibenvorschub- und Spindelkastenantrieb (46, 24) umfasst, wobei Letzterer das Werkstück während des Schleifens dreht, wobei der größere Teil des Metalls, das zu entfernen ist, um einen Kurbelzapfen auf die gewünschte Größe zu schleifen, auf bekannte Art entfernt wird, und, wenn der Zapfen sich der Endgröße nähert und nur noch ungefähr 50 μm des Radius zu entfernen sind, der Zapfen ausgemessen und die genaue Übergröße bestimmt wird und die Arbeitsdrehzahl auf eine Drehzahl im Bereich von 1 bis 5 Umdrehungen pro Minute verringert wird, typischerweise 3 Umdrehungen pro Minute, und der Scheibenvorschub so gesteuert wird, dass während einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle ein letzter Tiefenabschnitt am Umfang des Zapfens entfernt wird, dessen Größe durch die Messung bestimmt wird, woraufhin der Schleifspindelstock zurückgezogen wird, so dass die Scheibe den Zapfen vollständig freigibt, ohne Ausfunkschritt, und der Zapfen auf die gewünschte Größe geschliffen zurückbleibt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem nach dem Schleifen jedes Zapfens die Kurbelwelle axial weiterbewegt wird, um den nächsten zu schleifenden Zapfen an der Scheibe auszurichten.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem eine CBN-Scheibe verwendet wird, wobei die Scheibendrehzahl während des Schleifens der Zapfen in Intervallen geändert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Scheibendrehzahl nach dem Schleifen jedes n-ten Zapfens geändert wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem n gleich 3 ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Änderung der Drehzahl im Bereich von ±2–5% der Nenndrehzahl der Scheibe liegt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das zum Schleifen des Kurbelzapfens einer Stahlkurbelwelle, wie sie einem großen Dieselmotor Verwendung findet, benutzt wird.
  12. Schleifmaschine zum Schleifen eines Kurbelzapfens einer Kurbelwelle, die Folgendes aufweist: Eine einzelne Schleifscheibe (34), je einen Scheibenvorschub- und einen Spindelkastenantrieb (44, 24), eine Kühlmittelzufuhr (72, 74) und eine computerbasierte Steuerungseinheit (46) zum Steuern des Scheibenvorschub- und des Spindelkastenantriebs (44, 24) und zum Steuern des Kühlmittelstroms, der der Schleifscheibe (34) und dem Kurbelzapfen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Computersteuerungseinheit so programmiert ist, dass sie das Kurbelzapfen-Schleifverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 durchführt.
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