EP1262280A1 - Vorrichtung zum Festwalzen von Einstichen und Radien der Lagerstellen von Kurbelwellen - Google Patents

Vorrichtung zum Festwalzen von Einstichen und Radien der Lagerstellen von Kurbelwellen Download PDF

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EP1262280A1
EP1262280A1 EP02011109A EP02011109A EP1262280A1 EP 1262280 A1 EP1262280 A1 EP 1262280A1 EP 02011109 A EP02011109 A EP 02011109A EP 02011109 A EP02011109 A EP 02011109A EP 1262280 A1 EP1262280 A1 EP 1262280A1
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EP
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deep rolling
crankshaft
sensor
deep
tool
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EP02011109A
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Alfred Dr.-Ing. Heimann
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Hegenscheidt MFD GmbH and Co KG
Original Assignee
Hegenscheidt MFD GmbH and Co KG
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    • B21H7/18—Making articles not provided for in the preceding groups, e.g. agricultural tools, dinner forks, knives, spoons grooved pins; Rolling grooves, e.g. oil grooves, in articles
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    • B21H7/185—Filet rolling, e.g. of crankshafts
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    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface

Definitions

  • the invention relates to a device for deep rolling of recesses and radii on crankshafts after Features of the preamble of the main claim.
  • Crankshafts are deep-rolled with the help of Deep rolling rollers, which with a predetermined force in the Punctures and radii are pressed, which affect the bearings limit a crankshaft laterally.
  • a machine or tools for deep rolling of the radii and recesses of crankshafts known for example from EP 0 683 012 A1 and from EP 0 661 137 B1 and EP 0 299 111 B1. Both known method is known Machines can be rotated using the deep rolling tool the deep rolling rollers of the material of the crankshafts plasticized to a depth of about 1 mm.
  • DE 195 11 882 A1 describes a method for Solidification of workpiece surfaces has become known.
  • the known method is also based on the Crankshaft machining applicable.
  • the Workpiece surface during the hardening process metrologically recorded and from the measurement results Standard values for setting / changing Tool parameters derived.
  • the Penetration depth of the deforming tool Workpiece surface detected.
  • One with one the corresponding pressing force of the deep rolling roller penetrates the material and creates depending on the Flow behavior of the workpiece material poses on both sides of the penetrating deep rolling roller.
  • the actual depth of penetration of the deep rolling roller results then from the difference of the poses.
  • the In terms of measurement technology the surface contour itself is varied Way are recorded mechanically, for example, pneumatic, hydraulic, acoustic, electromagnetic, electrocapacitive or electronic by means of acting sensor.
  • the indirect method is disadvantageous in the known method Detect the depth of penetration on both sides of the poses the penetrating deep rolling roller. Such poses are sometimes nonexistent or so little pronounced that they are hardly recorded by measurement can. This is particularly the case with the Posing at the transitions on either side of Punctures on crankshafts, which in each case different levels. That's enough there Experience demonstrated the accuracy with which the poses can not be measured to be reliable Statements about the depth of penetration of the deep rolling roller into the To make crankshaft. It is much cheaper instead which is to follow the path of the deep rolling roller directly it in the radial, be it in the axial direction of movement in Regarding the crankshaft or both Directions of movement at the same time.
  • Deep rolling rolls of a machine a shorter one compared to the other deep rolling rolls Have standing time and fail prematurely. With the so far known means is such a premature one Failure of the deep rolling tool difficult or at all not to be discovered.
  • the industry has therefore so far Use it to randomly sample the rolled radii or punctures of crankshafts using measuring pliers control that are created by hand.
  • a measuring tool used which is constructed identically as a Rolling tool. Be under a low investment force before the actual start of the deep rolling operation Measuring rollers inserted into the punctures of the bearing points. The axial spreading of the penetration Measuring rollers are recorded and used as a measurement for the quality of the Preprocessing determined.
  • sensors serve the axial distance between individual measuring rollers and neighboring ones Detect oil bundles on the crankshaft.
  • the device can use such a method single deep rolling roller of a deep rolling tool perform, but it can also result Penetration depth of both deep rolling rollers, which one Deep rolling tool usually has to be measured.
  • the resulting axial displacement of the Measuring rollers of a measuring tool are recorded.
  • To measure the depth of penetration of the deep rolling rollers or the displacement the measuring rollers of a measuring tool in the axial direction are several facilities, their special Selection in the area of the measures of the relevant specialist.
  • the penetration depths measured with the help of sensors Deep rolling rollers of a deep rolling tool respectively Displacements of the measuring rollers of a measuring tool fed to a computer, stored in the computer, in Calculated quantities are converted and then the Fixed rolling force regulated. This is usually how you do it before that the crankshaft before the actual one Deep rolling initially with a low and constant Application force rolls and after deep rolling under the Deep rolling force forms the difference between the measured values from the depths of penetration under the landing force and the Deep rolling force results and then based on a corresponding calculated calculation size determines the penetration depth.
  • a such a calculation size is advantageously suitable for Errors that occur during the pre-machining of the crankshaft it by machining, be it by hardening or due to damage to the deep rolling rollers themselves determine.
  • the invention relates to a device for performing of the method with the features of the preamble of Claim 1.
  • the device according to the invention is characterized in that in the radial space between the guide roller for the deep rolling rollers and the Bearing point of the crankshaft a sensor is provided, which is the depth of penetration of the deep rolling roller into the Punctures and radii of the crankshaft measures.
  • the sensor is connected to a computer, which the measured Values of the depth of penetration are saved and in calculated values converts, the computer in turn with a plurality is connected by actuators, at least of which one controls the rotation of the crankshaft and at least one other, depending on the revolution the crankshaft and the calculated values of the Calculator, the application of the pressure cylinder with regulates the pressure medium to generate the deep rolling force.
  • sensors can also in different measurement levels along the device arms be arranged.
  • sensors can also in different measurement levels along the device arms be arranged.
  • the two measuring rollers are like a deep rolling tool designed measuring tool within the Measuring roller tool at an angle of approximately 35 ° are inclined to the possibility that when entering the Axial spreading of the measuring rollers with the help of sensors.
  • inductive buttons are suitable as sensors, Triangulation button with optical function, digital Displacement probe, potentiometer or ultrasonic sensors. The selection of the most suitable sensors meets the relevant specialist. It is provided that also triangulation buttons, which with laser beams work, can be used. Both digital Position sensors as well as capacitive potentiometers can be designed as facilities, which according to Measure eddy current method. It is significant that the respective sensors with a measuring range of approximately 1 mm have a resolution of at least 10 times, whereby the Measuring size of the rolling depth between 0.1 and 0.9 mm lies.
  • Fig. 1 shows the process of deep rolling one Crankshaft 1.
  • the crankshaft 1 has a bearing 2, for example for a main or connecting rod bearing.
  • the bearing 2 In Direction of the longitudinal axis of the crankshaft 1, for example represented by the parallel to the longitudinal axis dash-dotted line 3, the bearing 2 is laterally each limited by punctures 4.
  • the two punctures 4 have one axial distance from each other, which is the width of the Bearing position 2 corresponds.
  • the punctures 4 with a Deep rolling tool 5 processed.
  • the deep rolling tool 5 consists of a tool housing 6, in which a Guide roller 7 is rotatably mounted about the axis 3.
  • the two deep rolling rollers 8 In each of the punctures 4 engages a deep rolling roller 8, the two deep rolling rollers 8 to the vertical spread outwards at an angle of approximately 35 ° and are within the tool housing 6 Support the guide surfaces 9 of the guide roller 7.
  • a sensor 14 is arranged in the present example.
  • the sensor 14 is at a suitable point with the housing 6 connected and measures the radial distance between the outer circumference 13 of the guide roller 7 and Bearing point 2 of the crankshaft 1.
  • the sensor 14 it is for example an eddy current sensor in miniature design.
  • the sensor 14 is again in the Fig. 2 shown.
  • he's on one Device arm 15 one of the two device arms 15 and 16 having deep rolling device 17 arranged.
  • a single deep rolling machine a plurality of such deep rolling devices 17, according to the number of bearings to be processed 2.
  • the two device arms are 15 and 16 articulated at a common pivot point 18 connected with each other.
  • the first outer ends 19 and 20 of the two arms 15 and 16 carry each other corresponding parts of a deep rolling tool 5.
  • the tool housing 6 with the Guide roller 7 attached and on the opposite first outer end 20 of the second device arm 16 Housing 21 with the two support rollers 22.
  • the crankshaft 1 According to the representation of the Fig. 2 is the sensor 14 both on the device arm 15 and also attached to the tool housing 6.
  • Pressure cylinder 25 Between the two second outer ends 23 and 24 of the Device arms 15 and 16 is on Pressure cylinder 25.
  • This pressure cylinder 25 generates the deep rolling force which is used for deep rolling the Punctures 4 of the crankshaft 1 is required.
  • the Signal of the sensor 14 is, for example, a Transfer computer 53, stored there, in a Converted the calculation size and passed to a controller 54, the supply of the pressure medium to the pressure medium cylinder 25 regulates.
  • Computer 53 and controller 54 are devices that are familiar to the relevant specialist.
  • FIG. 4 This type of detection is shown in FIG. 4 illustrated.
  • the Crankshaft 1 namely experience the measuring rollers 38 Measuring tool 57 also a spread in the axial direction 28.
  • the two measuring rollers 38 of the measuring tool 57 laterally guided in cages 33 (Fig. 5).
  • sensors 29 are provided for example the size of a space 30 between the measuring rollers 38 and the oil bundles 31 one Determine crankshaft 1.
  • the axial position of the Measuring rollers 38 before the deep rolling operation makes mistakes Pre-machining crankshaft 1, e.g. differently deeply inserted punctures 4 recognizable.
  • a force sensor 32 can also Complete measuring device 57, if necessary also together with a displacement sensor (not shown) acts through which the puncture 4 during a Rotation of the crankshaft 1 covered distance 34 becomes.
  • the force sensor 32 is, for example, via a Control line 55 connected to the feed line 56, via which the pressure medium to the pressure medium cylinder 25 is fed.
  • the relevant specialist also common possibility of capturing the Working pressure, the respective amount of deep rolling force determined and monitored.
  • FIG. 6 shows a sensor 35, similar to sensor 14, which is the radial change in the distance between the two first outer ends 19 and 21 of two device arms 15 and 16 recorded.
  • Sensors can also be attached in the measurement planes 36. Also here is the appropriate selection of measurement planes 36 left to the relevant specialist. For each Arrangement is only significant that at least the 10 times the resolution of the measured variable sought.
  • FIG. 10 One enlarged, largely corresponding to FIG. 6 Illustration is shown in FIG. 10.
  • a probe 59 jumps out of the holder 58, for example an inductive displacement transducer, in the direction on the device arm 16.
  • the probe 59 can Distance between the two arms 15 and 16 with grasp great accuracy and is, therefore, suitable Depth of penetration of the deep rolling roller 8 in the Detect crankshaft 1 without gaps.
  • the measurement signal is running via a line 60 to the computer 53 which controls the controller 54 commanded, which in turn over the feed lines 56 acts on the pressure cylinder 25.
  • the Probe 59 detects the depth of penetration of the deep rolling roller 8 with an accuracy in the measuring range of ⁇ 0.01 mm.
  • FIG. 7 shows the schematic fastening 37 of a Sensor 14 on a tool housing 40.
  • Measuring rollers 38 are provided, which in size and Arrangement with the deep rolling rollers 8 of FIG. 1st are comparable.
  • the measuring rollers 38 are also from a guide roller 39 within a tool housing 40 supported.
  • 7 is a swiveling Measuring device 41 shown.
  • Another illustration of such a pivotable measuring device 41 also FIG. 8.
  • the pivoting of the measuring device 41 is, for example, about a small one Pressure cylinder 42 causes.
  • With the two Means 41 shown in FIGS. 7 and 8 are pure measuring devices.
  • FIG. 9 A different type of measuring device is shown in FIG. 9.
  • the measuring device consists of two axially in the Half separate guide rollers 43 and 44. These two Half rolls 43 and 44 are each in a housing 45 rotatably mounted. Measuring rollers 46 are supported on them and 47, each in punctures 48 and 49 one Engage crankshaft 1. As can be seen in FIG. 9, the recesses 48 and 49 are of different depths, corresponding to different rolling depths. Sensors 50 are in turn similar to the attachments 51 Fastenings 37 of FIG. 7 connected to the housing 45.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (5) zum Festwalzen von Einstichen (4) und Radien von Kurbelwellen (1). Das Festwalzen erfolgt mit Hilfe von Festwalzrollen (8), die während des Drehens der Kurbelwelle (1) unter Beaufschlagung mit einer Festwalzkraft und unter einem Winkel von annähernd 35° in die Einstiche (4) oder Radien der Kurbelwelle (1) eindringen und in der Kurbelwelle (1) selbst eine Verformung hervorrufen. Erfindungsgemäss misst man die Eindringtiefe der Festwalzrollen (8) in die Kurbelwelle (1) in radialer Richtung und regelt die Grösse der Festwalzkraft in Abhängigkeit von der gemessenen Eindringtiefe in der Weise, dass im Verlauf von wenigstens einer Umdrehung der Kurbelwelle (1) an wenigstens einem der beiden Einstiche (4) oder Radien einer zugehörigen Lagerstelle (2) nach dem Festwalzen eine plastische Verformung erhalten wird, die einer vorgegebenen Einwalztiefe entspricht. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Festwalzen von Einstichen und Radien an Kurbelwellen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.
Das Festwalzen von Kurbelwellen erfolgt mit Hilfe von Festwalzrollen, die mit einer vorgegebenen Kraft in die Einstiche und Radien gedrückt werden, welche die Lager einer Kurbelwelle jeweils seitlich begrenzen. Ein Verfahren, eine Maschine bzw. Werkzeuge zum Festwalzen der Radien und Einstiche von Kurbelwellen sind beispielsweise bekannt aus der EP 0 683 012 A1 sowie aus der EP 0 661 137 B1 und aus der EP 0 299 111 B1. Bei den bekannten Verfahren wird mit Hilfe der bekannten Maschinen mit Hilfe der im Festwalzwerkzeug drehbar gelagerten Festwalzrollen der Werkstoff der Kurbelwellen bis zu etwa 1 mm Tiefe plastifiziert. Dabei bauen sich tangential um den Einwalzradius der Festwalzrollen Druckeigenspannungen auf, die bei der Biegebelastung der Kurbelwelle im Betrieb das Ausbilden von Rissen an den kritischen Stellen des Übergangs von Lagerzapfen zur Wange der Kurbelwelle verringern und somit die Dauerfestigkeit einer Kurbelwelle erheblich erhöhen. Die Güte einer Festwalzung ist für die Lebensdauer einer Kurbelwelle von entscheidender Bedeutung. Mit höheren Drehmomenten und grösseren Motorleistungen, insbesondere mit der Verbreitung von Dieselmotoren, werden die Anforderungen an die Kurbelwellen immer höher. In Folge dessen ist die Industrie dazu übergegangen, das Festwalzen von Kurbelwellen immer kritischer und mit immer höherer Genauigkeit zu betreiben. Bekannt ist es bisher, das Festwalzen mit einer vorgegebenen Festwalzkraft durchzuführen. Das Einhalten der Festwalzkraft ist jedoch allein nicht dazu in der Lage, Streuungen der Festigkeit des Werkstoffs der Kurbelwelle oder durch die Vorbearbeitung der Kurbelwelle, insbesondere die spanende Bearbeitung und gegebenenfalls das Härten, in die Kurbelwelle eingebrachte Ungenauigkeiten auszugleichen. Fehler der Vorbearbeitung bei festzuwalzenden Einstichen oder Radien an einer Kurbelwelle werden durch die bekannten Verfahren, wo eine vorgegebene Festwalzkraft eingehalten wird, nicht aufgedeckt.
Weiterhin ist aus der DE 195 11 882 A1 ein Verfahren zum Verfestigen von Werkstückoberflächen bekannt geworden. Das bekannte Verfahren ist auch auf die Kurbelwellenbearbeitung anwendbar. Dabei wird die Werkstückoberfläche während des Verfestigungsvorgangs messtechnisch erfasst und aus den Messergebnissen werden Regelgrössen zur Einstellung/Veränderung von Werkzeugparametern abgeleitet. Insbesondere wird die Eindringtiefe des verformenden Werkzeugs in die Werkstückoberfläche erfasst. Eine mit einer entsprechenden Andrückkraft einwirkende Festwalzrolle dringt in den Werkstoff ein und erzeugt so abhängig vom Fliessverhalten des Werkstück-Werkstoffes Aufwürfe beiderseits der eindringenden Festwalzrolle. Die tatsächliche Eindringtiefe der Festwalzrolle ergibt sich dann aus der Differenz der Aufwürfe. Dabei kann die Oberflächenkontur messtechnisch an sich auf mannigfaltige Art und Weise erfasst werden beispielsweise mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, akustisch, elektromagnetisch, elektrokapazitiv oder elektronisch mittels entsprechend wirkender Fühler.
Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist das indirekte Erfassen der Eindringtiefe über die Aufwürfe beiderseits der eindringenden Festwalzrolle. Solche Aufwürfe sind mitunter gar nicht vorhanden oder derart wenig ausgeprägt, dass sie messtechnisch kaum erfasst werden können. Das ist beispielsweise besonders der Fall bei den Aufwürfen an den Übergängen zu beiden Seiten von Einstichen an Kurbelwellen, die ja in jeweils unterschiedlichen Ebenen liegen. Dort reicht, so hat die Erfahrung gezeigt, die Genauigkeit, mit der die Aufwürfe gemessen werden können, nicht aus, um zuverlässige Aussagen über die Eindringtiefe der Festwalzrolle in die Kurbelwelle zu machen. Wesentlich günstiger ist es statt dessen den Weg der Festwalzrolle direkt zu verfolgen, sei es in radialer, sei es in axialer Bewegungsrichtung in Bezug auf die Kurbelwelle oder auch in beiden Bewegungsrichtungen zugleich.
Darüber hinaus kann es in der industriellen Praxis vorkommen, dass einzelne. Festwalzrollen einer Maschine gegenüber den übrigen Festwalzrollen eine kürzere Standzeit haben und vorzeitig versagen. Mit den bisher bekannten Mitteln ist ein derartiges vorzeitiges Ausfallen des Festwalzwerkzeugs nur schwer oder überhaupt nicht zu entdecken. Die Industrie hat sich deshalb bisher damit beholfen, stichprobenartig die gewalzten Radien oder Einstiche von Kurbelwellen mit Hilfe von Messzangen zu kontrollieren, die von Hand angelegt werden.
Aus den vorstehend geschilderten Schwierigkeiten und Nachteilen ergibt sich die Aufgabe für die Erfindung, das Festwalzen der Radien und Einstiche von Kurbelwellen weiter zu verbessern, um insbesondere ein gleichmässiges Produktionsergebnis zu erzielen und eventuelle Fehler, die sich aus der vorausgehenden Bearbeitung des Werkstücks in den Prozess mit eingeschlichen haben, rechtzeitig zu entdecken und zu eliminieren. Dabei soll die Verbesserung ohne zusätzlichen Aufwand und auf wirtschaftliche Weise realisierbar sein. Insbesondere sollen bereits vorhandene Einrichtungen, wie Kurbelwellen-Festwalzmaschinen und Kurbelwellen-Festwalzwerkzeuge sowie an sich bekannte Mess- und Regeleinrichtungen, ohne wesentliche Änderungen zur Durchführung des Festwalzens verwendet werden.
Zur Lösung der erfindungsgemässen Aufgabe wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, mit der man die Eindringtiefe in radialer Richtung der Festwalzrollen eines Festwalzwerkzeugs fortlaufend misst und die Grösse der Festwalzkraft in Abhängigkeit von der gemessenen Eindringtiefe so regelt, dass im Verlauf der Festwalzoperation an den Einstichen oder Radien einer Lagerstelle nach dem Festwalzen eine plastische Verformung erhalten wird, die einer vorgegebenen Einwalztiefe entspricht.
Auf ähnliche Weise werden Fehler, die bei der Vorbearbeitung, sei es durch spanabhebende Bearbeitung, sei es durch Härten, in die Kurbelwelle eingebracht wurden, aufgedeckt. Hierzu wird ein Messwerkzeug verwendet, das identisch aufgebaut ist wie ein Festwalzwerkzeug. Unter einer geringen Anlegekraft werden vor dem eigentlichen Beginn der Festwalzoperation Messrollen in die Einstiche der Lagerstellen eingeführt. Die beim Eindringen erfolgende axiale Spreizung der Messrollen wird erfasst und als Messwert für die Güte der Vorbearbeitung ermittelt. Hierzu dienen Sensoren, die den axialen Abstand einzelner Messrollen zu den benachbarten Ölbunden der Kurbelwelle erfassen.
Das bekannte Verfahren, die Einstiche und Radien von Kurbelwellen mit einer vorgegebenen Einwalztiefe festzuwalzen wird nunmehr dahingehend verbessert, dass man in Abhängigkeit vom jeweiligen Zustand der festzuwalzenden Radien oder Einstiche der Kurbelwelle eine spezifische Einwalztiefe erzielt, und zum Erzielen dieser Einwalztiefe die Festwalzkraft entsprechend ändert.
Die Vorrichtung kann ein solches Verfahren mit einer einzelnen Festwalzrolle eines Festwalzwerkzeugs durchführen, es kann aber auch die resultierende Eindringtiefe beider Festwalzrollen, welche ein Festwalzwerkzeug üblicherweise aufweist, gemessen werden. Daneben kann die resultierende axiale Verlagerung der Messrollen eines Messwerkzeugs erfasst werden. Zum Messen der Eindringtiefe der Festwalzrollen oder der Verlagerung der Messrollen eines Messwerkzeugs in axialer Richtung eignen sich mehrere Einrichtungen, deren spezielle Auswahl jeweils im Bereich der Massnahmen des einschlägigen Fachmannes liegt.
Die mit Hilfe von Sensoren gemessenen Eindringtiefen der Festwalzrollen eines Festwalzwerkzeugs beziehungsweise Verlagerungen der Messrollen eines Messwerkzeugs werden einem Rechner zugeführt, in dem Rechner gespeichert, in Rechengrössen umgewandelt und danach wird die Festwalzkraft geregelt. Üblicherweise geht man dabei so vor, dass man die Kurbelwelle vor dem eigentlichen Festwalzen zunächst mit einer geringen und konstanten Anlegekraft walzt und nach dem Festwalzen unter der Festwalzkraft die Differenz der Messwerte bildet, die sich aus den Eindringtiefen unter der Anlegekraft und der Festwalzkraft ergibt und sodann anhand einer entsprechend gebildeten Rechengrösse die Eindringtiefe ermittelt. Eine solche Rechengrösse ist vorteilhaft dazu geeignet, Fehler, die bei der Vorbearbeitung der Kurbelwelle, sei es durch spanende Bearbeitung, sei es durch Härten oder durch Schäden an den Festwalzrollen selbst, auftreten zu ermitteln.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem radialen Zwischenraum zwischen der Führungsrolle für die Festwalzrollen und der Lagerstelle der Kurbelwelle ein Sensor vorgesehen ist, welcher die Eindringtiefe der Festwalzrolle in die Einstiche und Radien der Kurbelwelle misst. Der Sensor ist mit einem Rechner verbunden, welcher die gemessenen Werte der Eindringtiefe speichert und in Rechenwerte umwandelt, wobei der Rechner wiederum mit einer Mehrzahl von Stellgliedern verbunden ist, von denen wenigstens eines die Umdrehung der Kurbelwelle steuert und wenigstens ein anderes, in Abhängigkeit von der Umdrehung der Kurbelwelle sowie der gebildeten Rechenwerte des Rechners, die Beaufschlagung des Druckmittelzylinders mit dem Druckmittel regelt, zum Erzeugen der Festwalzkraft.
Ausser an den ersten beiden äusseren Enden der beiden scherenartigen Gerätearme, welche jeweils die Teile eines Festwalzwerkzeugs tragen, können Sensoren auch in unterschiedlichen Messebenen entlang der Gerätearme angeordnet sein. Neben der Möglichkeit, die Eindringtiefe der Festwalzrollen in die Kurbelwelle in radialer Richtung zu ermitteln, besteht, unter der Voraussetzung, dass die beiden Messrollen eines wie ein Festwalzwerkzeug ausgestalteten Messwerkzeugs innerhalb des Messwalzwerkzeugs unter einem Winkel von annähernd 35° geneigt sind, die Möglichkeit, die beim Eindringen der Messrollen entstehende axiale Spreizung der Messrollen mit Hilfe von Sensoren zu ermitteln.
Als Sensoren eignen sich wiederum induktive Taster, Triangulationstaster mit optischer Funktion, digitale Wegmesstaster, Potenziometer oder Ultraschallsensoren. Die Auswahl der jeweils am besten geeigneten Sensoren trifft der einschlägige Fachmann. Dabei ist vorgesehen, dass auch Triangulationstaster, welche mit Laserstrahlen arbeiten, eingesetzt werden können. Sowohl digitale Wegmesstaster als auch kapazitive Potenziometer können als Einrichtungen ausgebildet sein, welche nach dem Wirbelstromverfahren messen. Bedeutsam ist, dass die jeweiligen Sensoren bei einem Messbereich von etwa 1 mm eine mindestens 10-fache Auflösung haben, wobei die Messgrösse der Einwalztiefe zwischen 0,1 und 0,9 mm liegt.
Nachfolgend wird die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, nicht massstäblicher und überwiegend schematischer Darstellung die
  • Fig. 1, ein Festwalzwerkzeug in der Vorderansicht,
  • Fig. 2, die Anordnung eines Festwalzwerkzeugs innerhalb eines einzelnen Festwalzgerätes,
  • Fig. 3, das Schema der Messrichtungen
  • Fig. 4, das Messen einer axialen Verlagerung von Messrollen eines Messwerkzeugs,
  • Fig. 5, die Messanordnung der Fig. 2 in der Seitenansicht,
  • Fig. 6, unterschiedliche Messebenen entlang eines Gerätearmes,
  • Fig. 7, das Schema einer Befestigung von Sensoren,
  • Fig. 8, eine einschwenkbare Messvorrichtung.
  • Fig. 9, eine Einrichtung zur Messung von unterschiedlichen Einwalztiefen
  • Fig. 10, ein Festwalzgerät mit einem Weggeber.
In den nachfolgenden Darstellungen sind jene Teile, welche die Kurbelwelle unmittelbar betreffen, jeweils durch eine Schraffur besonders kenntlich gemacht. Steuerungen sind durch unterbrochene Linien dargestellt.
Die Fig. 1 zeigt den Ablauf des Festwalzens einer Kurbelwelle 1. Die Kurbelwelle 1 hat eine Lagerstelle 2, beispielsweise für ein Haupt- oder Pleuellager. In Richtung der Längsachse der Kurbelwelle 1, beispielsweise dargestellt durch die zur Längsachse parallel verlaufende strichpunktierte Linie 3, wird die Lagerstelle 2 seitlich jeweils durch Einstiche 4 begrenzt. Wie in der Fig. 1 deutlich erkennbar, haben die beiden Einstiche 4 einen axialen Abstand voneinander, welcher der Breite der Lagerstelle 2 entspricht. Nach der gewählten Darstellung der Fig. 1 werden die Einstiche 4 mit einem Festwalzwerkzeug 5 bearbeitet. Das Festwalzwerkzeug 5 besteht aus einem Werkzeuggehäuse 6, in dem eine Führungsrolle 7 um die Achse 3 drehbar gelagert ist. In jeden der Einstiche 4 greift eine Festwalzrolle 8 ein, wobei die beiden Festwalzrollen 8 zur Senkrechten nach aussen hin unter einem Winkel von ungefähr 35° gespreizt sind und sich innerhalb des Werkzeuggehäuses 6 auf Führungsflächen 9 der Führungsrolle 7 abstützen.
Durch das Einwirken der Festwalzrollen 8 auf die Einstiche 4 entstehen innerhalb der Kurbelwelle 1 auf dem Grund der Einstiche 4 tangentiale Druckeigenspannungen, welche durch die Pfeile 10 dargestellt werden. Durch den Pfeil 11 wird der Grund der Einstiche 4 angedeutet; der Pfeil 12 weist auf den Einwalzradius hin, welcher bei Kurbelwellen für Pkw-Motoren Grössen zwischen 1,2 bis 1,9 mm haben kann.
In dem radialen Abstand zwischen dem äusseren Umfang 13 der Führungsrolle 7 und der Lagerstelle 2 der Kurbelwelle 1 ist im vorliegenden Beispiel ein Sensor 14 angeordnet. Der Sensor 14 ist an geeigneter Stelle mit dem Gehäuse 6 verbunden und misst den radialen Abstand zwischen dem äusseren Umfang 13 der Führungsrolle 7 und der Lagerstelle 2 der Kurbelwelle 1. Bei dem Sensor 14 handelt es sich beispielsweise um einen Wirbelstromsensor in Miniaturbauweise. Der·Sensor 14 ist noch einmal in der Fig. 2 dargestellt. Hier ist er beispielsweise auf einem Gerätearm 15 eines die beiden Gerätearme 15 und 16 aufweisenden Festwalzgerätes 17 angeordnet.
Wie bereits erwähnt, weist eine einzelne Festwalzmaschine eine Mehrzahl von derartigen Festwalzgeräten 17 auf, entsprechend der Anzahl der zu bearbeitenden Lagerstellen 2. Nach Art einer Schere sind die beiden Gerätearme 15 und 16 an einem gemeinsamen Drehpunkt 18 gelenkig miteinander verbunden. Die jeweils ersten äusseren Enden 19 und 20 der beiden Gerätearme 15 und 16 tragen einander entsprechende Teile eines Festwalzwerkzeugs 5. So ist beispielsweise an dem ersten äusseren Ende 19 des Gerätearmes 15 das Werkzeuggehäuse 6 mit der Führungsrolle 7 befestigt und am gegenüberliegenden ersten äusseren Ende 20 des zweiten Gerätearmes 16 ein Gehäuse 21 mit den beiden Stützrollen 22. Dazwischen befindet sich die Kurbelwelle 1. Nach der Darstellung der Fig. 2 ist der Sensor 14 sowohl an dem Gerätearm 15 als auch an dem Werkzeuggehäuse 6 befestigt.
Zwischen den beiden zweiten äusseren Enden 23 und 24 der Gerätearme 15 und 16 befindet sich ein Druckmittelzylinder 25. Dieser Druckmittelzylinder 25 erzeugt die Festwalzkraft, welche zum Festwalzen der Einstiche 4 der Kurbelwelle 1 erforderlich ist. Das Signal des Sensors 14 wird beispielsweise auf einen Rechner 53 übertragen, dort gespeichert, in eine Rechengrösse umgewandelt und zu einem Regler 54 geleitet, der die Zufuhr des Druckmittels zum Druckmittelzylinder 25 regelt. Rechner 53 und Regler 54 sind Einrichtungen, die dem einschlägigen Fachmann geläufig sind.
Die Fig. 3 zeigt die Abstandsänderung 26 der Festwalzrollen 8 zur Lagerfläche 2 der Kurbelwelle 1 in radialer Richtung. Hierbei wird nur die Abstandsänderung 26 beider Festwalzrollen 8 gemeinsam erfasst, welche jede für sich während des Festwalzvorgangs eine Veränderung ihrer Lage in Richtung der beiden Pfeile 27 erfahren. Aus der Fig. 3 ist erkennbar, dass die beiden Pfeile 27 jeweils in eine Komponente in vertikaler Richtung, entsprechend dem Pfeil 26, und in eine Komponente 28 in Richtung der Drehachse 3 zerlegt werden können.
Diese Art der Erfassung wird von der Fig. 4 veranschaulicht. Beim Eindringen in die Einstiche 4 der Kurbelwelle 1 erfahren nämlich die Messrollen 38 eines Messwerkzeugs 57 zugleich auch eine Spreizung in der axialen Richtung 28. Wie bei einem Festwalzwerkzeug 6 werden die beiden Messrollen 38 des Messwerkzeugs 57 seitlich in Käfigen 33 geführt (Fig. 5). Zur Ermittlung der axialen Verlagerung der Messrollen 38 des Messwerkzeugs 57 sind Sensoren 29 vorgesehen, die beispielsweise die Grösse eines Zwischenraumes 30 zwischen den Messrollen 38 und den Ölbunden 31 einer Kurbelwelle 1 ermitteln. Die axiale Position der Messrollen 38 vor der Festwalzoperation macht Fehler der Vorbearbeitung der Kurbelwelle 1, z.B. unterschiedlich tief eingestochene Einstiche 4 erkennbar. Die Verlagerung der Messrollen 38 beim Festwalzen macht unterschiedliche Einwalztiefen, z.B. in Folge von unterschiedlichen Härtungen im Bereich der Einstiche 4 erkennbar und dient somit der Prozessüberwachung. Eine der Fig. 4 entsprechende Anordnung bietet sich an, wo die Voraussetzungen zur Befestigung von Sensoren 29 am Werkzeuggehäuse 40 eines Messwerkzeugs 57 besonders günstig sind. Zusätzlich kann auch ein Kraftsensor 32 die Messeinrichtung 57 vervollständigen, der gegebenenfalls auch noch mit einem Wegsensor (nicht gezeigt) zusammen wirkt, über den der von dem Einstich 4 während einer Umdrehung der Kurbelwelle 1 zurückgelegte Weg 34 erfasst wird. Der Kraftsensor 32 ist beispielsweise über eine Steuerleitung 55 mit der Speiseleitung 56 verbunden, über welche das Druckmittel dem Druckmittelzylinder 25 zugeführt wird. Über diese, dem einschlägigen Fachmann ebenfalls geläufige Möglichkeit der Erfassung des Arbeitsdruckes, wird die jeweilige Höhe der Festwalzkraft ermittelt und überwacht.
Die Fig. 6 zeigt einen Sensor 35, ähnlich dem Sensor 14, der die radiale Änderung des Abstandes zwischen den beiden ersten äusseren Enden 19 und 21 zweier Gerätearme 15 und 16 erfasst. Neben der Anordnung an den äusseren Enden 19 und 20 können dem Sensor 35 vergleichbare Sensoren auch in den Messebenen 36 angebracht sein. Auch hier ist die geeignete Auswahl der Messebenen 36 dem einschlägigen Fachmann überlassen. Für die jeweilige Anordnung ist lediglich bedeutsam, dass mindestens die 10-fache Auflösung der gesuchten Messgrösse erfolgt.
Eine der Fig. 6 weitgehend entsprechende, vergrösserte Darstellung ist in der Fig. 10 wiedergegeben. Hier ist zwischen dem äusseren Ende 20 und dem Drehpunkt 18 auf der Innenseite des Gerätearmes 15 ein Halter 58 angebracht. Aus dem Halter 58 springt ein Messtaster 59, beispielsweise ein induktiver Wegaufnehmer, in Richtung auf den Gerätearm 16 hervor. Der Messtaster 59 kann den Abstand zwischen den beiden Gerätearmen 15 und 16 mit grosser Genauigkeit erfassen und ist somit,geeignet, die Tiefe des Eindringens der Festwalzrolle 8 in die Kurbelwelle 1 lückenlos zu erfassen. Das Meßsignal läuft über eine Leitung 60 zu dem Rechner 53, der den Regler 54 befehligt, welcher seinerseits über die Speiseleitungen 56 den Druckmittelzylinder 25 beaufschlagt. Der Messtaster 59 erfasst die Eindringtiefe der Festwalzrolle 8 mit einer Genauigkeit im Messbereich von ± 0,01 mm.
Die Fig. 7 zeigt die schematische Befestigung 37 eines Sensors 14 an einem Werkzeuggehäuse 40. Anstelle der Festwalzrollen 8 sind in der Darstellung der Fig. 7 Messrollen 38 vorgesehen, welche in ihrer Grösse und Anordnung mit den Festwalzrollen 8 der Fig. 1 vergleichbar sind. Auch die Messrollen 38 werden von einer Führungsrolle 39 innerhalb eines Werkzeuggehäuses 40 abgestützt. In der Fig. 7 ist eine einschwenkbare Messvorrichtung 41 dargestellt. Eine weitere Darstellung einer derartigen einschwenkbaren Messeinrichtung 41 zeigt auch die Fig. 8. Das Einschwenken der Messeinrichtung 41 wird beispielsweise über einen kleinen Druckmittelzylinder 42 bewirkt. Bei den beiden Einrichtungen 41, die in den Fig. 7 und 8 dargestellt sind, handelt es sich um reine Messvorrichtungen. Diese werden in die jeweilige Lagerstelle 2 einer Kurbelwelle 1 hineingeschwenkt, sobald die Festwalzwerkzeuge 6 bis 8 ausser Eingriff gebracht wurden und dienen dann zur Kontrolle des Festwalzprozesses. Bei entsprechender Gestaltung und Befestigung des Gerätes 42 z.B. am Gerätearm 15 kann auch während des Festwalzens die Eindringtiefe 26 der Festwalzrollen 8 gemessen werden und es kann, ebenso wie bei dem im Festwalzwerkzeug 6 integrierten Sensor 14 die Festwalzkraft, erzeugt über den Druckmittelzylinder 25, geregelt werden.
Eine wiederum andersartige Messeinrichtung zeigt die Fig. 9. Hier besteht die Messvorrichtung aus zwei axial in der Hälfte getrennten Führungsrollen 43 und 44. Diese beiden Halbrollen 43 und 44 sind jeweils in einem Gehäuse 45 drehbar gelagert. Auf ihnen stützen sich Messrollen 46 und 47 ab, die jeweils in Einstiche 48 und 49 einer Kurbelwelle 1 eingreifen. Wie in der Fig. 9 erkennbar, sind die Einstiche 48 und 49 unterschiedlich tief, entsprechend unterschiedlichen Einwalztiefen. Sensoren 50 sind wiederum über Befestigungen 51 ähnlich den Befestigungen 37 der Fig. 7 mit dem Gehäuse 45 verbunden. Auch die Einrichtung nach der Fig. 9 ist einschwenkbar ausgestaltet und dient zur gleichzeitigen Messung von unterschiedlichen Einwalztiefen 48 und 49. Dabei ist vorgesehen, dass sich die beiden Hälften 43 und 44 einer Führungsrolle 52 in radialer Richtung in Bezug auf die Kurbelwelle 1 bewegen können. Mit jeder der den Führungsrollen 43 und 44 zugeordneten Drehachsen ist ein Sensor 50, zum Beispiel ein Wirbelstromaufnehmer, verbunden, der die Verlagerung des Systems relativ zur Lagerstelle 2 ermittelt.
Bezugszeichenliste
1
Kurbelwelle
2
Lagerstelle
3
axiale Richtung, Achse der Kurbelwelle
4
Einstich
5
Festwalzwerkzeug
6
Werkzeuggehäuse
7
Führungsrolle
8
Festwalzrolle
9
Führungsfläche
10
tangentiale Druckeigenspannungen
11
Grund des Einstichs
12
Einwalzradius
13
äusserer Umfang
14
Sensor
15
Gerätearm
16
Gerätearm
17
Festwalzgerät
18
Drehpunkt
19
erstes äusseres Ende
20
erstes äusseres Ende
21
Gehäuse
22
Stützrolle
23
zweites äusseres Ende
24
zweites äusseres Ende
25
Druckmittelzylinder
26
Abstandsänderung
27
Lageänderung
28
axiale Richtung
29
Sensor
30
Zwischenraum
31
Ölbund
32
Kraftsensor
33
Käfig
34
Weg
35
Sensor
36
Messebene
37
Befestigung
38
Messrollen
39
Führungsrolle
40
Werkzeuggehäuse
41
schwenkbare Messeinrichtung
42
Druckmittelzylinder
43
Führungsrolle
44
Führungsrolle
45
Gehäuse
46
Messrolle
47
Messrolle
48
Einwalztiefe
49
Einwalztiefe
50
Sensor
51
Befestigung
52
Führungsrolle
53
Rechner
54
Regler
55
Steuerleitung
56
Speiseleitung
57
Messwerkzeug
58
Halter
59
Messtaster
60
Messleitung

Claims (7)

  1. Vorrichtung zum Festwalzen von Einstichen und Radien, die die Lagerstellen von Kurbelwellen in axialer Richtung jeweils zu beiden Seiten begrenzen mit wenigstens einem Festwalzwerkzeug einer eine Mehrzahl von Festwalzwerkzeugen aufweisenden Festwalzmaschine für die Einstiche und Radien beiderseits der Lagerstellen von Kurbelwellen, wobei das Festwalzwerkzeug an einander gegenüberliegenden ersten äusseren Enden von zwei ungefähr in ihrer Längsmitte gelenkig miteinander verbundenen scherenartigen Gerätearmen vorgesehen ist und ein Werkzeuggehäuse aufweist, in welchem eine Führungsrolle und wenigstens eine Festwalzrolle drehbar gelagert sind und die Führungsrolle zur Lagerstelle der Kurbelwelle einen radialen Abstand hat sowie zwischen den beiden zweiten äusseren Enden der Gerätearme ein Druckmittelzylinder zum Erzeugen der Festwalzkraft vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    in dem radialen Zwischenraum zwischen der Führungsrolle (7, 43, 44, 52) und der Lagerstelle (2) ein Sensor (14, 29) zur Ermittlung der Eindringtiefe der Festwalzrolle (8) in die Einstiche (4, 48, 49) und Radien der Kurbelwelle (1) bzw. zwischen einem Werkzeuggehäuse (40) und einer Messrolle (38) ein Sensor (29) zur Ermittlung der Verlagerung (28) der Messrolle (38) in axialer Richtung der Kurbelwelle (1) vorgesehen ist,
    jeder der Sensoren (14, 29) mit einem Rechner (53) verbunden ist, der die gemessenen Werte speichert und in Rechenwerte umwandelt und der Rechner (53) mit
    einer Mehrzahl von Stellgliedern (25, 54, 56) verbunden ist, von denen wenigstens
    eines die Umdrehung der Kurbelwelle (1) steuert und wenigstens
    ein anderes (54) in Abhängigkeit von der Umdrehung der Kurbelwelle (1) sowie der gebildeten Rechenwerte des Rechners (53)
    die Beaufschlagung des Druckmittelzylinders (25) zum Erzeugen der Festwalzkraft regelt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Festwalzwerkzeug (5) an einander gegenüberliegenden ersten äusseren Enden (19, 20) von zwei ungefähr in ihrer Längsmitte gelenkig miteinander verbundenen scherenartigen Gerätearmen (15, 16) und zwischen den beiden zweiten äusseren Enden (23, 24) der Gerätearme (15, 16) ein Druckmittelzylinder (25) zum Erzeugen der Festwalzkraft vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen den beiden ersten äusseren Enden (19, 20) der Gerätearme (15, 16) wenigstens ein Sensor (14, 35, 50, 58, 59) zur Ermittlung der Eindringtiefe der Festwalzrolle(-n) (8) in die Einstiche (4, 48, 49) und Radien der Kurbelwelle (1) vorgesehen ist,
    der Sensor (14, 35, 50, 58, 59) mit einem Rechner (53) verbunden ist, der die gemessenen Werte speichert und in Rechenwerte umwandelt und der Rechner (53) mit
    einer Mehrzahl von Stellgliedern (25, 54, 56) verbunden ist, von denen wenigstens
    eines die Umdrehung der Kurbelwelle (1) steuert und wenigstens
    ein anderes (54) in Abhängigkeit von der Umdrehung der Kurbelwelle (1) sowie der gebildeten Rechenwerte des Rechners (53)
    die Beaufschlagung des Druckmittelzylinders (25) mit einem Druckmittel zum Erzeugen der Festwalzkraft regelt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (14, 35, 50, 58, 59) in unterschiedlichen Messebenen (36) entlang der Gerätearme (15, 16) vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (14, 35, 50, 58, 59)
    ein induktiver Taster,
    ein Triangulationstaster mit optischer Funktion,
    ein digitaler Wegmesstaster,
    ein Potenziometer oder
    ein Ultraschallsensor ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Triangulationstaster in Laserausführung ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Wegmesstaster oder das Potenziometer als kapazitive, nach dem Wirbelstromverfahren arbeitende Einrichtungen ausgebildet sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Sensoren (14, 35, 50, 58, 59) bei einem Messbereich von etwa 1 mm eine mindestens 10-fache Auflösung haben, wobei die Messgrösse der Einwalztiefe zwischen 0,1 und 0,9 mm liegt.
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