JP6486379B2 - 大型クランクシャフトを研削するための方法および装置 - Google Patents

大型クランクシャフトを研削するための方法および装置 Download PDF

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Description

本発明は、トラックエンジン、船舶エンジンまたは定置用エンジンの大型クランクシャフトを研削加工する方法および装置に関する。
大型クランクシャフトは、本発明の枠内では、800mmよりも長い、特に1000mm〜約4000mmの長さを有するクランクシャフトである。このような大型クランクシャフトは、乗用車のクランクシャフトの場合とは異なり、同じ大きさの個数では製造されない。クランクシャフトの寸法が大きくなればなるほど、クランクシャフトが製造されるバッチ量は小さくなる。
たとえば約1500mmの長さを有するクランクシャフトを加工するために設けられている研削機は、一般的に積載補助部を用いて手動で積込みもしくは積下ろしが行われる。このような大型クランクシャフトのためには直径では2mmまでの、側面毎の平面では約0.5mmまでの研削余剰寸法が削り取られることが必要であり、したがって研削機に到達する素材部分が既に極めて高コストである、という事実と、このサイズオーダのクランクシャフトの少ない個数とに基づき、この大型クランクシャフトのためにも研削時間をできるだけ短くすることは重要ではあるが、クランクシャフト素材部分を良品として研削することは特に重要である。このことは、不良品が、あらゆる状態において高い経済損失のために回避されなければならないことを意味する。したがって、悪い研削結果によりクランクシャフトが不良品とみなされるよりは、延長された研削時間が受け入れられる。この場合、大型クランクシャフトの研削時に、−ソフトマシニングという前処理と、続く支承箇所の硬化とのためにも要求される−比較的高い研削余剰寸法は、高い研削体積を必要とし、このことは、クランクシャフトが研削中にゆがむ恐れを有していることに留意しなければならない。この効果もしくは欠点は、支承箇所の平面が一緒に研削されなければならない場合に一層強く生じる。とりわけ、大型クランクシャフトにおいて支承箇所と、一緒に研削すべき平面との間に存在する移行曲率部は、この問題をさらに大きくする。個別の支承箇所の硬化後に、硬化領域は、通常、曲率移行部にまで延びているか、または場合によってはそれどころか隣接する平面ショルダ内にまで延びている。したがって、大型クランクシャフトの研削時には、たとえば乗用車のクランクシャフトのような小さなクランクシャフトにおけるよりも著しく強い歪みが考慮されなければならない。小型クランクシャフトのために必要とされている研削経過および研削条件を、このような大型クランクシャフトを高い精度で製造するために、単純に大型クランクシャフトに転用することは概して不可能である。大型クランクシャフトは通常、大型の研削機において、複数のプロセスステップにおいて製造される。この場合、主にコランダム研削ディスクを用いて研削される。
独国特許発明第4327807号明細書(DE4327807C2)には、クランクシャフトを研削する研削機および方法が記載されている。この研削機および方法は、特に大型クランクシャフトに合わせられたものではない。クランクシャフトは、この公知の方法では軸方向の引っ張り部材により緊締され、少なくとも2つの、それぞれ別個に支承された形付けされた研削ディスクにより研削される。ワーク主軸台と心押台とに緊締されたクランクシャフトは、ワーク主軸台内の駆動装置によって回転させられる。研削されるクランクシャフトの精度は、クランクシャフトの全体的な仕上げ研削のみが唯1回の締付けにおいて実現されることにより達成される。振止めに使用に関する示唆はない。
独国特許出願公開第19919893号明細書(DE19919893A1)には、1回の締付けでのクランクシャフトの粗研削および仕上げ研削が記載されている。特にたとえばトラックエンジン用の、300mmを越える長さを有する大型クランクシャフトが示唆されている。比較的長いクランクシャフトのために、少なくともメインベアリング部において振止め座が設けられている。研削ディスクとして、CBN(立体晶窒化ホウ素)研削ディスクおよびコランダム研削ディスクが使用され得る。この場合、CBN研削ディスクの使用時に、研削ディスクの耐用時間はより長く、またより高い精度が達成され得る。ワーク主軸台も、心押台も、固有の駆動装置を有していてよく、これらの駆動装置は互いに対して同期的に運転する。さらに、唯1回の締付けにおいて、クランクシャフトの少なくともメインベアリング部が粗研削可能であり、その後にクランクシャフトのクランクピンベアリング部、次いでメインベアリング部が、少なくとも1つの研削ディスクにより仕上げ研削可能であることが示唆されている。支承面が、クラウニング状(凸型曲面)の形状を有していることもあり、このクラウニング状の形状は、使用される研削ディスクの対応するツルーイングを介して可能であり、この場合に、緊締変更が必要となることはない。クランクシャフトの円筒形の端部区分およびフランジの研削は、記載されておらず、とりわけ、記載された方法では、緊締チャックの緊締爪は、クランクシャフトの円筒形のジャーナル端部において係合している。
Cinetic Landis社のインターネット刊行物は、LT3と呼ばれる大型のCNCクランクピンベアリング部研削機を記載している。この機械は、8mのサイズまで記載している。この機械により、クランクピンベアリング部およびメインベアリング部がインプロセス測定を使用しながら研削される。特に、実際の支承面から、ベアリング部を画定するウェブに設けられた平面への移行部における曲率部を研削することができるように、CNC研削ディスクドレッサが設けられている。この公知の機械は、メインベアリング部およびクランクピンベアリング部を1回の締付けで研削し、さらに斜面または円錐形の区分を含む円筒形の端部領域を研削することができる。同様にサーボ制御される振止めが示唆されている。
さらに、Ingersoll Naxos社の会社パンフレットには、CBNクランクピンベアリング部研削機PQ500×1250の機械データに関して、一方では1500mmの研削すべきクランクシャフトのためのワーク長さを、他方ではCBN研削ディスクの使用を示唆されている。機械は、インプロセス直径測定装置に連結されている。
大型クランクシャフトのためのコランダム研削ディスクの広く普及した使用時には、とりわけ、実際の支承箇所から、該支承箇所に設けられたウェブの平面への移行部における曲率部の研削時ならびにウェブの研削時に、曲率部を研削する研削ディスクが前もってツルーイングされることが必要である。この研削ディスクが、次いでたとえばクランクシャフトの支承箇所または円筒形の端部区分の研削のために使用されなければならない場合、この研削ディスクは改めてツルーイングされる必要がある。特に、互いに異なる個別の作業工程の間に、コランダム研削ディスクは頻繁にツルーイングされる必要がある。コランダム研削ディスクのコストは比較的に低いので、このことは受け入れられる。個別の作業ステップ間の頻繁なツルーイングは、大型クランクシャフトのための全体的に長い製造時間も要求し、このことは、大型クランクシャフトが不良品となることがどんな場合でも阻止され得る場合には、完全に受け入れられる。
先行技術から公知のインプロセス測定装置は、支承箇所における目下の直径を測定し、これによって研削中に、目標直径を達成するかもしくは目標直径を維持するように影響を与えるために設けられている。
これに対して本発明の課題は、トラックエンジン、船舶エンジンまたは定置用エンジンの大型クランクシャフトを高い精度と高い経済性で研削することができる方法および研削機を提供することにあり、研削ディスクは高い耐用時間で使用され、ツルーイング工程の数が減じられ得るようにすることである。
この課題は、請求項1に記載の特徴を有する方法と、請求項12に記載の特徴を有する研削機により解決される。
有利な変化形は各従属請求項に記載されている。
本発明の第1の態様によれば、大型クランクシャフトを完全研削するための本発明に係る方法では、クランクシャフトの少なくとも全てのメインベアリング部およびクランクピンベアリング部が、少なくとも1つの第1のCBN研削ディスクによって粗研削および仕上げ研削される。さらに、クランクシャフトの少なくとも全ての円筒形の端部領域およびフランジも同様に、クランクシャフトの唯1回の締付けにおいて粗研削および仕上げ研削される。CBN研削ディスクの使用は、長い耐用時間と、高い精度を伴う研削とを可能にし、この場合に規定された作業過程の各研削工程後に、研削ディスクがツルーイングされる必要はない。クランクシャフトの粗研削時には、通常は複数の振止め座が研削される。それぞれ1つの振止めが、研削された振止め座に当て付けられる。使用される振止めの個数は、研削すべきクランクシャフトのサイズおよび長さに合わせて調整される。比較的短いクランクシャフトでは、場合によっては2つの振止めで十分であるので、単に2つの振止め座が研削されればよい。比較的大きな長いクランクシャフトでは、各メインベアリング部において振止め座を研削し、対応する振止めを当て付けることが絶対的に必要であり、通常である。
振止めが多く使用されればされるほど、クランクシャフトが長ければ長いほど、クランクシャフトの回転中のクランクシャフトの捩れの問題は大きくなり得る。クランクシャフトの回転は、ワーク主軸台の駆動装置により行われる。このような回転駆動装置は、C1と呼ばれる。捩れを阻止するために、本発明によれば、ワーク主軸台とは反対の側に位置する端部に配置された第2のワーク主軸台に、同様に回転駆動装置C2が設けられている。両方の駆動装置C1およびC2は、電気的に互いに対して同期的に作動する。
本発明によれば、それぞれCNC制御されるX1軸、Z1軸およびWK1軸を備えた第1の研削ディスクが駆動される。第1の研削ディスクは、クランクシャフトのメインベアリング部およびクランクピンベアリング部の軸方向の長さよりも短い幅を有している。クランクピンベアリング部および/またはメインベアリング部の外周面の所望の形状は、第1の研削ディスクの、そのX1軸、Z1軸および/またはWK1軸に関する補間的な運動により生ぜしめられる。外周面とは、本発明の枠内では、クランクシャフトの実際のベアリング部の外周面ならびに該ベアリング部の外周面から、規定された曲率で、1つの支承箇所を画定するウェブに設けられた、該支承箇所の長手方向軸線に対して垂直方向に配置された平面へと移行する移行部の外周面であると理解される。この場合、X1軸は、送りとして、支承箇所の長手方向軸線に対して垂直方向への研削ディスクの移動を成す。Z1軸は、支承箇所の長手方向軸線に対して平行な軸線を有する研削ディスクの運動軸線を成す。WK1軸は、旋回軸線であり、該旋回軸線WK1によって、研削ディスクはその長手方向軸線に対して可変の角度で運動される。つまりWK1軸は、研削ディスクと、研削すべきワークにおける研削ディスクの作用点とを通って、クランクシャフトの長手方向軸線に対して垂直に延びている旋回軸を成す。支承箇所の、正確かつ高品質な円筒形の形状は、さもなければその周面において研削作用ラインで平坦に形成された研削ディスクが、このWK1軸を中心として旋回され得る場合に達成され得る。
いまや本発明によれば、測定装置を用いて、少なくとも2つの、有利には複数の目下の直径が、メインベアリング部および/またはクランクピンベアリング部の研削中に、またはメインベアリング部および/またはクランクピンベアリング部の研削中断時に測定され、しかもベアリング部の軸方向の長さに沿って間隔を空けた複数の測定箇所において測定されることが規定されている。この測定結果に基づいて、第1のCBN研削ディスクのX1軸、Z1軸およびWK1軸が、クランクシャフトのメインベアリング部および/またはクランクピンベアリング部の外周面の所望の目標輪郭を達成するために互いに補間されてかつ互いに依存して制御される。研削の中断とは、研削ディスクが作用していないことであると理解される。
原則的には、大型クランクシャフトは、唯1つの研削主軸台に支承された唯1つの研削ディスクにより研削され得る。この研削ディスクは、クランクシャフトのメインベアリング部およびクランクピンベアリング部だけでなく、ベアリング部の円筒形の端部区分、フランジおよび平面ならびにベアリング部の、実際の支承面から平面への移行部における曲率部も研削することができるように、単に十分に幅狭でなければならない。経済的な理由から、2つの研削主軸台が設けられていて、各研削主軸台に相応する研削ディスクが設けられていると極めて有利である。これによって、クランクシャフトのための研削時間を大幅に減じることが可能である。そのX1軸、Z1軸およびWK1軸に関する研削ディスクの、補間されて実施された運動により、種々異なる寸法の曲率部が各ツルーイング工程なしにCBN研削ディスクにより研削され得ることが可能である。つまり、研削すべき曲率部は、研削ディスクによって、該研削ディスクをツルーイングすることなしに、直接に転写可能である。このことは、コランダム研削ディスクに比べて重大な時間の利点および精度の利点を成す。
各支承箇所の長手方向軸線に対して垂直方向に配置された平面への移行部においても、研削している研削ディスクのWK1軸を作動させることが必要であり、これによって、研削ディスクを支承面と、該支承面に接続する曲率部とにおける直径研削から、該支承面に対して垂直方向に配置された平面へ移行させることができる。
したがって本発明に係る方法により、大型クランクシャフトを、唯1回の締付けで、使用される研削ディスクの高い耐用時間ひいては高い経済性で、高い精度で研削することが可能である。
有利には、第1の研削ディスクは、クランクシャフトの研削加工間の規定されたインターバルにおいてツルーイングされる。CBN研削ディスクの主な利点は、たとえば、研削ディスクがツルーイングされる必要なしに著しく多数の研削過程が実施され得ることにある。ツルーイングは、いずれにせよ、規定された輪郭を達成する目的では必要ない。なぜならば、研削ディスクの、CNC制御される3つの全ての軸の使用の高いフレキシビリティが、任意の輪郭と、たとえば円筒形の輪郭との形成を高い精度で可能にし、この場合に、このために毎回ツルーイングを必要とすることはないからである。ツルーイングは、有利にはいずれにせよ、研削ディスクにおける規定された摩耗が補償される必要がある場合にのみ行われるが、研削ディスクにおける形状付与を達成するためには行われない。
有利には、クランクシャフトの長さ寸法も測定され、少なくとも第1の研削ディスクの研削位置を制御するために、X1軸およびZ1軸のためのCNC制御装置へと伝達される。これによって、研削ディスクを正確に研削位置にもたらすことが可能であり、研削ディスクによって、研削すべき軸方向の長さ寸法が維持され得る。
本発明の変化形によれば、少なくとも第1の研削ディスクのX1軸、Z1軸およびWK1軸は、メインベアリング部および/またはクランクピンベアリング部の円筒形の形状から逸脱する所望の形状が生ぜしめられるように、制御される。本発明に係る方法によって、さらに、各ベアリング部の長手方向軸線に沿った種々異なる位置における目下の直径を規定するための相応する個数の測定平面によって、高精度の円筒形の形状を達成することが可能である。このことは、先行技術による使用されたインプロセス測定装置では、不可能であるか、せいぜい制限されてのみ可能である。なぜならば、その限りでは常にベアリング領域の唯1つの箇所においてのみ測定が実施されるからである。
さらに有利には、クランクシャフトの円筒形の端部領域および/またはフランジの研削時に、クランクシャフトの1つの端部領域においてワーク主軸台に設けられた緊締チャック、または前記クランクシャフトの前記端部領域とは反対の側に位置する端部領域において心押台に設けられた緊締チャック、または心押台の代わりに第2のワーク主軸台に設けられた緊締チャックが、その端部領域において解除され、クランクシャフトは、各緊締チャックの、それぞれ設けられている尖端部によって中心に保持される。たとえばクランクシャフトのセンタ穴に、各緊締チャックを介して尖端部が僅かな圧力を加える場合、クランクシャフトはこれにより駆動もされ得る。緊締チャックが解除されている状態で、少なくとも第1の研削ディスクを用いて、クランクシャフトの端部領域が研削され得ることがいずれにせよ可能であり、しかも粗研削かつ仕上げ研削されることが可能である。クランクシャフトの、反対の側に位置する端部領域でも、同様に実施される。これにより、大型クランクシャフトを唯1回の締付けにおいて、高い経済性および精度で完全に研削することが可能である。
別の態様によれば、本発明に係る方法では、第2のCBN研削ディスクが設けられている。第2のCBN研削ディスクは、そのCNC制御されるX2軸駆動装置およびZ2軸駆動装置ならびにWK2旋回軸のCNC制御される付加的な駆動装置を用いて、クランクシャフトの粗研削および仕上げ研削が実施されている。それぞれの研削主軸台に支承されている2つの別個のCBN研削ディスクが設けられていることにより、大型クランクシャフトのための製造時間が減じられ、それどころか場合によっては半減され得る。
特に長いクランクシャフトにおいて、研削中に研削力が導入されることによる加工中の変形を保証するために、さらに有利には少なくとも4つの振止め座が研削され得る。この振止め座には、次いで相応する振止めが当て付けられる。
有利には、クランクシャフトの端部領域は、第1の研削ディスクにより研削される。この場合に、クランクシャフトの一つの側の端部領域が第1の研削ディスクにより研削され、クランクシャフトの、上記端部領域とは反対の側に位置する端部領域が第2の研削ディスクにより研削されることも可能である。この場合、第2の研削ディスクも、規定されたインターバルでツルーイングされる。規定されたインターバルの長さは、第1の研削ディスクのための上述されたものと同様の観点で規定され得る。
CBN研削ディスクを用いて、有利にはクランクシャフトの、特にその支承箇所における外周面輪郭の曲率部も、直接的な転写により研削され、この場合に正確な曲率値に合わせた研削ディスクの事前のツルーイングが必要になることはない。
唯1回の締付けにおいて大型クランクシャフトを完全研削もしくは完全加工することにより、さもなければ必要である個別の加工ステップの間の積込み/積下ろしが省略されるので、種々異なる複数の研削ステーションにおける加工の実施時に生じ得るような欠点が回避される。つまり、クランクシャフトが次の研削機もしくは研削ステーションに再び積み込まれるまでに、外部の測定中にクランクシャフトが熱的に変化することが回避される。このことを除いても、大型クランクシャフトにとっては、この重いクランクシャフトを積み込みもしくは積み下ろすことは常に少なからぬ機械的な手間となる。
2つの研削主軸台の上述のような使用時に、クランクシャフトの粗研削および/または仕上げ研削時に少なくとも部分的に実現される並行加工の他にも、互いに異なって輪郭形成された2つの研削ディスクを使用することが可能である。互いに異なって輪郭形成された2つの研削ディスクの使用は、これらの研削ディスクが、個別の支承箇所における各加工タスクにそれぞれ良好に適合されるまたは各加工タスクに合わせて最適化され得るという利点を有している。
大型クランクシャフトの研削のためには、以下の種々異なる技術もしくは作業工程が、支承箇所もしくは研削すべき円筒形の端部領域およびフランジの研削時に使用されることが望ましい。
a)移行曲率部および/または平面を備えるメインベアリング部およびクランクピンベアリング部、または移行曲率部および/または平面を備えないメインベアリング部およびクランクピンベアリング部の粗研削および仕上げ研削;
b)スラストベアリング部(Passlager)の、実際の支承箇所を画定する平面における粗研削および仕上げ研削;
c)メインベアリング部および/またはクランクピンベアリング部およびスラストベアリング部の曲率補間の可能性を伴う、平面への移行部における支承箇所の移行曲率部の研削。この場合、支承箇所における直径からその平面への移行部における曲率部は、曲率を有する研削ディスクの「エッジ」において研削される。ベアリング部の移行部の曲率部は、多くのクランクシャフトにおいてメインベアリング部とクランクピンベアリング部とでは同一に形成されていないので、研削ディスクにおいて比較的に小さな曲率がツルーイングされ、この曲率が支承箇所において、次いで完全に転写される(図11参照);
d)フランジのような、クランクシャフトの端部領域の研削および/またはジャーナル加工。この場合、研削ディスクの付加的なWK軸により、円錐形の軸端部を研削する可能性も生じる;
e)ジャーナルおよび/またはジャーナル端部における端面の平面の研削;
f)専らCBN研削ディスクを用いた研削の実行;および
g)研削オイルまたは研削エマルジョンを冷却潤滑剤として使用。
・測定装置によるインプロセス測定は、真っ先にメインベアリング部およびクランクピンベアリング部のために使用される。この場合、使用された測定装置は、研削ディスク幅にわたって、支承箇所の長手方向に走行可能であり、これにより支承箇所の長手方向の複数の箇所において、直径のための測定値が記録され得る。この場合に、各支承箇所において、円筒度、円錐度およびクラウニングからの逸脱を測定することが可能である。さらに、この測定装置により、支承箇所におけるそれぞれの直径を測定するだけではなく、その丸みも自動的に検出される。測定値は、本発明によれば、機械の相応する制御装置に入力されるので、研削プロセス中の相応する補正によりワークにおいて達成された輪郭が補正され、所望の目標輪郭を達成することができ、しかもこの場合にクランクシャフトを機械から取り出し、特別な測定機器を有する特別な測定室において測定する必要はない。設けられている測定装置によって、支承箇所におけるポストプロセス測定も実施され得る。このためには、研削ディスクは、支承箇所において僅かな半径方向の間隔を有するまで移動され、測定装置は、いまやポストプロセス測定方法において直径を測定することができる。この測定方法にしたがって、同様に、各支承箇所において、円筒度、円錐度またはクラウニングからの逸脱を測定することも可能である。
直径測定および丸み測定に対して付加的に、クランクシャフトの長手方向の位置決めを測定するための装置が設けられている。この場合、1つもしくは複数の研削主軸台にそれぞれ1つの精密測定ヘッドが設けられている。したがって、クランクシャフトにおける長さ寸法を自動的に測定することが可能である。測定ヘッドとして、いわゆるスイッチ測定ヘッドが使用される。つまりセンサは、ワークとの接触時に、研削主軸台がそのZ軸に沿って走行することによって、電気的なスイッチ信号が出力されるまで変位する。このスイッチ信号は、次いでZ軸の長さ測定機器の位置の値を用いて計算される。したがって、支承箇所の規定された、または全ての平面の複数の測定により、各支承箇所のために、正確な長手方向位置が研削前に求められ得るので、研削される必要のある各平面のために、研削過剰寸法が正確に測定されて、ひいては求められ得る。これによって、研削時間が最適化され得る。なぜならばいわゆる「空研削」が排除され得るからである。同一の測定ヘッドを用いて、この原理にしたがって、クランクシャフトにおける半径方向位置も求められ得る。ここでも、測定された半径方向位置はワーク主軸台のC軸により計算される。
唯1回の締付けにおける大型クランクシャフトの完全加工は、とりわけ、たとえば約2500mmの長さを有する大型クランクシャフトが約2時間も要することからも、重要となる。
本発明の第2の態様によれば、トラックエンジンまたは船舶エンジンまたは定置用エンジンの大型クランクシャフトの完全加工のための研削機が提供される。この研削機では、機械ベッド上に、少なくとも以下の構成要素が配置されている。
a)CNC制御されるそれぞれ1つの回転駆動装置C1,C2を備えた第1のワーク主軸台および第2のワーク主軸台。第1のワーク主軸台と第2のワーク主軸台との間に、研削すべきクランクシャフトが締め付けられる。この締付けは、クランクシャフトの、全体的な完全な研削加工の間維持されたままであるので、緊締変更プロセスは不要である。回転駆動装置C1,C2は、クランクシャフトをその両端部において互いに対して同期的に駆動する。これらの回転駆動装置C1,C2は、つまり1つのいわゆる電気的なシャフトを成す。両回転駆動装置C1,C2の同期的な駆動により、クランクシャフトがその回転中に捩られないことが確実にされる。本発明に係る研削機により加工される大型クランクシャフトの比較的大きな長さに基づいて、このクランクシャフトを複数のメインベアリング部において、さらに有利には全てのメインベアリング部において支持することが必要となる。これによって、クランクシャフトに摩擦モーメントが作用する。この摩擦モーメント自体は捩れ負荷をもたらす。この捩れ負荷を阻止するもしくはこの捩れ負荷に抗するために、回転駆動装置C1,C2がクランクシャフトの両端部に配置され、互いに対して同期的に作動する。
b)クランクシャフトのメインベアリング部の支持体。この支持体は、多数の振止めにより確保されている。振止めは、第1の研削主軸台に配置された第1の研削ディスクにより、各振止め座が研削された後に、各クランクシャフトメインベアリング部に向かって該クランクシャフトメインベアリング部に接触するように接近させられる。
c)第1の研削ディスクを備えた第1の研削主軸台。この研削ディスクは、CBN研削ディスクであり、クランクシャフトの少なくともメインベアリング部およびクランクピンベアリング部を粗研削および仕上げ研削するために、そのX1軸およびZ1軸のCNC制御される駆動装置を有している。さらに、この第1の研削ディスクのためには、WK1旋回軸のための、別のCNC制御される駆動装置が設けられている。この場合、X1軸、Z1軸およびWK1軸は、互いに対して補間されて、かつ互いに依存して制御可能であり、この場合、少なくともメインベアリング部およびクランクピンベアリング部の所望の外周面輪郭が達成可能である。
d)研削主軸台上に配置され、メインベアリング部およびクランクピンベアリング部の長手方向軸線に対して平行に延びる移動軸線を有する測定装置。移動軸線に沿って、測定装置は測定位置にもたらされ得る。測定位置において、目下の直径が測定装置により記録され得る。測定された目下の直径に基づいて、第1の研削ディスクのX1軸、Z1軸およびWK1軸が、所望の目標輪郭を達成するために制御可能である。
特に大型クランクシャフトのためには、研削スピンドルは、相応して大きくかつ重く寸法設計される必要がある。このような大きな質量体の運動は、大きな駆動装置を必要とするが、このようなクランクシャフトの特にベアリング部における高精度の表面もしくは高精度の所望の目標外周面のためには、この駆動装置は、遊びなしに、極めて少ない摩擦で運転する必要がある。研削ディスクの付加的なWK軸の主な利点は、これにより比較的に小さな角度値だけ運動される研削ディスクが、少ない慣性で、かつ高い精度をもって傾斜され得ることにあり、これによって、湾曲しているかつ/または傾斜しているワーク輪郭の確実かつ廉価な研削を達成することができるか、またはエラー、つまり円筒形の所望目標輪郭からの逸脱を補償することができる。WK軸は、つまりその付加的な駆動装置によって、正確に調節可能に変位されるので、研削ディスクは、出発位置に対して相応して僅かに傾斜して設置されている。旋回軸は、その旋回機能において実質的に遊びを有しない。したがって、本発明に係る研削機では、平坦にツルーイングされた研削ディスクによっても、相応するベアリング部におけるいわゆる「クラウニング」を研削することが可能である。研削ディスクの運動のためのX軸、Z軸により、通常の円形−/非円形ユニバーサル研削機において存在しているような水平方向の参照平面が固定されている。正確な円筒形の輪郭を研削することは、メインベアリング部および/またはクランクピンベアリング部が正確に軸平行に緊締されていることが前提となる。しばしば回避することができない緊締エラーにより、かつ大型クランクシャフトが比較的に軟らかい構造物であり、細心の注意を払っても、研削時に、全てのメインベアリング部の緊締エレメントおよび支持エレメントの中心軸がクランクシャフトの長手方向軸線に正確に整合して延びているように支承され得ず、これによって所望の目標輪郭からのわずかな逸脱が生じるという事実に関して、研削ディスクのための付加的なWK旋回軸によって、これらのエラーに抗し、ひいてはまさに大型クランクシャフトにおいて正確な所望の目標輪郭を達成することが可能である。さらに、この付加的なWK旋回軸によって、それぞれ研削すべきベアリング部におけるクラウニング状の周面を生ぜしめる可能性が生じる。外方に向かって湾曲したクラウニング状の輪郭は、研削ディスクが両側に向かって傾斜して移動され得る、つまり旋回され得る場合に、細い研削ディスクによっても達成可能である。したがって、ベアリング部の相応する所望のクラウニング状の輪郭に応じて輪郭形成された研削ディスクを生ぜしめることはもはや必要ではない。このような研削ディスクは、全ベアリング部幅にわたる厚さ、つまり研削ディスク幅を有している。
クランクシャフトの両端部に係合し、該クランクシャフトを端部領域において緊締するワーク主軸台は、特に液圧式に走行可能である。液圧式の走行可能性は、正確かつ良好に位置決め可能な調節を可能にするので、クランクシャフトはその端部において最適に緊締され得る。
有利には、第2の研削主軸台は第2の研削ディスクを有している。第2の研削ディスクは、同様にCBN研削ディスクであり、クランクシャフトの粗研削および仕上げ研削のためにCNC制御されるX2軸およびZ2軸を備えている。有利には、この第2の研削ディスクも、WK2旋回軸のためのCNC制御される付加的な駆動装置を有している。第2の研削ディスクのWK2旋回軸は、第1の研削ディスクのためのWK1旋回軸と同一の機能を有していて、同様に構成されている。
摩耗に基づいて、コランダム研削ディスクの場合のように各研削工程後ではないが、CBN研削ディスクを時折ツルーイングすることが必要であるので、研削機は、有利にはさらに、ダイヤモンドツルーイングホイールを備えたツルーイング装置を有している。ツルーイング装置によって、第1の研削ディスクおよび第2の研削ディスクは、各研削ディスク目標輪郭に合わせてツルーイングされ得る。
クランクシャフトの端部領域に設けられたフランジと、クランクシャフトの各支承面を画定するウェブとに設けられた平面を正確に研削するためには、さらに有利には、1つの研削主軸台または両研削主軸台において、長さ測定装置が配置されている。長さ測定装置は、Z軸に沿って種々異なる測定位置へと走行可能であり、該測定装置によって、第2の研削ディスクは、クランクシャフトに設けられた各平面の研削のためにその研削位置へと制御可能である。これにより、クランクシャフトの平面の高い精度が互いに対して達成され得る。有利には長さ測定装置はスイッチ測定ヘッドを有している。
さらに有利には、研削機は複数の、少なくとも4つの振止めを有している。振止め保持部は、研削テーブル上に走行可能に支承されているので、振止めは、各支承箇所において対応する振止め座が研削された後に、各支承箇所に向かって接近され得る。これにより、クランクシャフトをその長手方向に沿って確実に支持することが可能であり、これにより加工中の撓みは阻止される、つまり研削ディスクによりクランクシャフト内に研削中に導入される研削力を受容することができる。
回転駆動装置C1,C2は、クランクシャフトの全体的な完全研削加工中にクランクシャフトを緊締する位置に留まる。このことは第1には、メインベアリング部およびクランクピンベアリング部の研削中に、緊締爪を有する相応する緊締チャックにより達成される。緊締爪は、クランクシャフトの外側の円筒形の端部領域に係合する。クランクシャフトの完全加工の枠内でクランクシャフトのこの円筒状の端部領域も研削される場合、各緊締チャックの緊締爪は解除されかつ戻される必要がある。クランクシャフトが緊締変更される必要がないように、緊締チャックは回転駆動装置C1,C2に連結された、一緒に駆動可能な尖端部を有している。この尖端部は、クランクシャフトの、円筒形の端部領域に設けられたセンタ穴内に係合し、これにより、クランクシャフトを、該クランクシャフトを回転させながら、尖端部の間で締め付ける。
クランクピンベアリング部の研削中に冷却潤滑剤/研削油を、クランクピンベアリング部の、偏心的に運動する、つまりオービタル軌道で回転する研削位置に確実に供給することを保証するために、さらに付加的なCNC駆動装置を有する装置が、冷却ノズルの追従のために設けられており、しかも冷却ノズルが、研削箇所の偏心的な回転中にこの研削位置に対してほぼ同じ間隔で留まるような形態で設けられているので、これにより、ほぼ同一の間隔で冷却潤滑剤が研削箇所に確実に供給される。
本発明の別の特徴、利点および使用可能性を、以下に図面につき詳細に説明する。
本発明に係る研削機の平面図である。 緊締されたクランクシャフトを備える、図1に示した研削機の一部を示す平面図である。 クランクシャフトにおける研削タスクを示すための、概略的に図示された研削領域を有するクランクシャフトを示す図である。 クランクシャフトの端部領域におけるワーク主軸台側の緊締を示す図である。 戻された緊締爪と、クランクシャフトのセンタ穴内に係合するセンタリング尖端部とを有するワーク主軸台を示す図である。 閉じられた緊締チャックを有する、クランクシャフトの心押台側の緊締部を示す図である。 センタ穴に係合しているセンタリング尖端部と、クランクシャフトの円筒形の端部領域における研削を実施するための研削ディスクと共に、心押台側のクランクシャフトの緊締部を示す図である。 クランクシャフトの円筒形の端部部分に設けられた円錐形の端部領域と、研削ディスクと共に示す、図7に示した緊締部の図である。 円筒形の端部領域の端面側の研削のための、完全に心押台において戻された緊締チャックと、クランクシャフトの円筒形の端部領域に設けられた付加的な振止め支持体を示す図である。 直接的な支承領域と平面との間の支承箇所に設けられた種々の移行曲率部におけるCBN研削ディスクを用いた転写を示す図である。 単にX軸およびZ軸を有する研削との比較で、付加的な旋回軸WK1、WK2の使用したクラウニング状のベアリング部輪郭の研削を示す図である。 支承箇所における目下の直径を測定するためのインプロセス測定装置の原理的な配置図である。 偏心的に回転するクランクピンベアリング部の研削時の冷却ノズルの追従の原理図である。 メインベアリング部の研削時の、ほぼ定置に配置された冷却ノズルの原理図である。
図1は、大型クランクシャフトが加工され得る、本発明に係る研削機の原理的な構造を示している。通常のように、研削機は機械ベッド1上に配置されている。この機械ベッド1は、全ての所要構成群を収容する。機械ベッド1の後方領域には、第1の研削主軸台5が配置されている。この第1の研削主軸台5は、第1のCBN研削ディスク(砥石)7を備えた研削スピンドル6を支持している。さらに、第2の研削主軸台8が配置されている。この第2の研削主軸台8は、第2の研削ディスク9を備えた研削スピンドル8.1を支持している。各研削主軸台5,8は、クロスキャリッジ上に組み付けられている。このクロスキャリッジは、制御されるそれぞれ1つのX軸およびZ軸を有している。これらの軸を介して、つまり第1の研削ディスク7はそのX1軸およびZ1軸を介して、かつ第2の研削ディスク9は、そのX2軸およびZ2軸を介して駆動可能に運動可能である。さらに、各研削主軸台5,8は、それぞれの研削スピンドルユニットにおいて、いわゆるWK軸を有している。WK軸は、研削すべき支承箇所において、第1の研削主軸台5に設けられた研削スピンドル6と、第2の研削主軸台8に設けられた研削スピンドルとが、それぞれ所属する研削ディスクと共に旋回すること可能にし、これにより、支承箇所において円筒形の輪郭を高精度で研削するか、または意図的に円筒形の輪郭から逸脱する輪郭を製造することができる。研削主軸台5,8は、それぞれのX方向運動を、ガイド22を介して実現し、Z方向運動を、相応するガイド21を介して実現する。第1の研削主軸台5に設けられた第1の研削スピンドル6の旋回軸WK1は、WK1と呼ばれ、参照符号16.1を付されている。第2の研削主軸台8に設けられた第2の研削ディスク9の研削スピンドルの旋回軸は、WK2と呼ばれ、参照符号16.2を有している。研削主軸台5,8のZ軸のための駆動装置は、第1の研削主軸台のためには、Z1軸の駆動装置14によって実現されている一方で、第2の研削主軸台8に設けられた第2の研削ディスクのZ2軸のためには駆動装置15が設けられている。両駆動装置14,16は、有利にはマスター・スレーブ・駆動装置として形成されている。
第2の研削主軸台8には、長手方向位置決め装置19が設けられている。長手方向位置決め装置19は、クランクシャフト10に設けられた平面を研削するために、長さを測定するかもしくは研削位置を求めるために設けられている。
研削機の全ての軸運動は、CNC制御されて移動可能である。
機械ベッド1の手前部分には、研削テーブル2が位置している。研削テーブル2上には、C1軸のための駆動装置12を備えたワーク主軸台3が設けられている。ワーク主軸台3は、緊締チャック17を備えたワークスピンドルを有している。緊締チャック17は、複数の緊締爪の他に尖端部を有している。緊締爪17は、補償されて、クランクシャフトの端部ジャーナル10.3にその緊締位置において当て付けられる。緊締爪17は、クランクシャフト10の端部区分10.3を把持し、尖端部は、クランクシャフト10の端部区分10.3の平面に設けられたセンタ穴10.4内に係合する。ワーク主軸台3は、その位置決めに関して、有利には液圧式に走行可能であり、このことは、ワーク主軸台3のワークスピンドル上に両方向矢印で示されている。この走行可能性により、尖端部26(図4を参照)が、クランクシャフト10の積込みおよび積下ろしのために、緊締爪17が戻された後にクランクシャフト10のセンタ穴10.4から出され得ることが可能である。
研削機の、ワーク主軸台3とは反対に位置する側には、心押台4が配置されている。心押台4は、そのC2軸のための駆動装置13を有している。心押台の代わりに、第1のワーク主軸台3のような第2のワーク主軸台が設けられていてもよい。本実施の形態では、心押台4は、第1のワーク主軸台3に類似して鏡像対称的な態様で構成されている。心押台4も、クランクシャフトの積込み/積下ろしのために、有利には液圧式に走行可能であり、このことは心押台スピンドル上に両方向矢印により配置されている。心押台4は、緊締チャック18を有している。緊締チャック18は、複数の緊締爪と、一緒に駆動可能なセンタリング尖端部27とを有している。このセンタリング尖端部27は、クランクシャフトの端部区分の平面に配置されたセンタ穴10.4内に係合する。第1のワーク主軸台3の緊締チャック17と心押台4の緊締チャック18との間に、クランクシャフト10が締め付けられている。
ワーク主軸台3の駆動軸C1と、心押台4の駆動軸C2とは両方、連結された軸として運転されるので、C1軸と、C2軸とは同期的に電気的にCNC制御されて駆動される。クランクシャフトを、その緊締状態で、両方のクランクシャフト端部において同期的に駆動することに基づいて、クランクシャフトが、その長さにわたって、材料の弾性的な領域における捩れによって「捻られる」ことは回避される。これによって、クランクシャフトが極めて高い精度で研削され得ることを確実にすることができる。
クランクシャフト10の比較的大きな長さのために、クランクシャフト10は、複数の、この場合は4つのメインベアリング部において振止め11によって支持される。振止め11自体は、研削テーブル2上に取り付けられており、したがって、振止め11は、メインベアリング部において相応する振れ止め座が研削された後に、それぞれのメインベアリング部10.1に当て付けられて、このメインベアリング部10.1を支持することができるように走行され得る。
クランクシャフト10が完全に最後まで研削されて、研削機から積み下ろされなければならない場合、ワーク主軸台3の緊締チャック17と、心押台4の緊締チャック18とは、同時に各緊締チャックの尖端部26,27を係合解除しながら、戻されている。この場合、クランクシャフトは、いわゆる受け柱(Auflageprisma)(図示せず)上に置かれる。受け柱は、同様に研削テーブル2に組み付けられていて、2つのメインベアリング部10.1に係合している。このように置かれたクランクシャフトは、次いで相応するリフト装置により研削機から取り出され得る。同様に、新規の、これから研削すべきクランクシャフトは、この受け柱上に載置されることによって研削機に積み込まれる。次いで、クランクシャフトの緊締が、各端部領域において緊締チャック17,18により行われる。
複数の研削工程により生じる、CBN研削ディスク7,9における摩耗を補償し、研削ディスクにおける所望の目標輪郭を再び製造するためには、摩耗に応じたインターバルで研削ディスクがツルーイングされる。このためには、研削テーブル2上には付加的に、ダイヤモンドホイールを備えたツルーイング装置20が配置されている。ダイヤモンドホイールにより、研削ディスク幾何学形状は、μm単位の精度でツルーイングにより回復され得る。
第2の研削主軸台8に付加的に配置された長さ測定装置19は、スイッチ測定ヘッドを有している。このスイッチ測定ヘッドは、研削主軸台8のX2軸およびZ2軸を有する走行によって、種々の測定位置にもたらされ得る。この測定センサにより、目下の長さ寸法が、たとえば実際の研削前に素材において、かつ完成したクランクシャフトにおいても測定される。この測定装置により、半径方向位置も測定され得る。
目下の直径寸法を研削中に連続的に、かつ完成したワークにおいても測定することができるように、いわゆるインプロセス測定装置が設けられている。図1における見やすさの理由から、インプロセス測定装置は図示されていない。このインプロセス測定装置は、通常、研削主軸台5,8に組み付けられている。この場合通常は、1つのインプロセス測定装置が、研削スピンドルおよび研削ディスク毎に設けられている。この測定装置は、付加的にCNC制御される軸を有しているので、測定装置は、研削ディスクを備えた研削スピンドルの運動から独立してZ軸に沿って運動可能である。これによって、たとえばメインベアリング部およびクランクピンベアリング部の長手方向で複数の所望の位置において、目下の直径の測定値を得ることが可能である。この測定値は一方では、支承箇所の円錐度または凸形曲面(Ballus)をまだ研削プロセス中に監視し、測定値に基づいて、対応する研削ディスクの研削工程の対応する制御を実施するために必要である。したがって、研削中に、必要である場合には、寸法補正が実施され得るので、研削された目標輪郭も達成される。これにより、極めて高い精度を、この大型クランクシャフトにおいても実現することが可能である。したがって、この測定装置は、参照符号16.1もしくは16.2を備えた旋回軸WK1,WK2の付加的な駆動装置と相俟って、研削中の補正を実施するための基礎を提供し、これによって、できるだけ正確な所望の外周面輪郭を各支承箇所において達成することができる。
クランクシャフトの研削は、支承箇所においても、シャフト端部における中心の部位においても、CBN層を有する研削ディスクによって実現される。有利には、セラミックスによりボンディングされたCBNがこのために使用される。このセラミックボンド型のCBNは、連続的な研削プロセスにおいて、既に説明された摩耗に応じたインターバルでツルーイングされ得る。しかし、特別な研削タスクのためには、電気メッキされたCBNを有する研削ディスクも使用され得る。
図2には、図1の部分図が示されている。この部分図では、研削テーブルの構造が拡大されて図示されていて、C1軸および緊締チャック17を備えたワーク主軸台3ならびにC2軸および所属する緊締チャック18を備えた心押台4を示している。この場合、ワーク主軸台3および心押台4は、その緊締チャック17,18の間で、クランクシャフト10を緊締して保持している。緊締は、ワーク主軸台3の中心軸、クランクシャフトの中心軸、つまりクランクシャフトのメインベアリング部10.1の中心軸および心押台4の中心軸が互いに正確に整合するように、実現されている。クランクシャフト10は、その各端部領域において、ジャーナル10.3で、緊締チャック17,18のそれぞれの緊締爪17.1,18.1および尖端部26,27によって緊締されている。それぞれ2つのメインベアリング部10.1の間には、クランクシャフト10の対応するクランクピンベアリング部10.2が配置されている。中心の支承箇所を成すメインベアリング部10.1には、振止め11がクランクシャフト10を支持するために当て付けられていて、かつ中心の支承箇所10,1において、このメインベアリング部に係合している。クランクシャフト10は、その中心に位置する両端部において固く緊締されていて、左側ではC1軸の駆動装置によって、右側では駆動装置C2によって、互いに同期的であるように、駆動されている。緊締爪17.1,18.1およびセンタリング尖端部26,27は、補償を行う緊締爪17.1,18.1が、緊締箇所における同心度または形状の不正確さを許容し、この場合に緊締チャック17,18内のセンタリング尖端部26,27に重大な影響を与えることがないように形成されている。センタリング尖端部26,27を有する緊締チャック17,18の代わりに中心に緊締する緊締チャックが使用されることも可能である。
図2は、支承箇所10.1,10.2を研削するための緊締状態を示している。クランクシャフト10の端部領域の研削時には、機械におけるクランクシャフト10の緊締状態を変更する必要がある。このことは、以下の図面において説明されるが、この場合に、クランクシャフト10の中心の緊締が解除されることはない。これにより、クランクシャフト10のメインベアリング部10.1もクランクピンベアリング部10.2も端部領域10.3も、唯1回の締付けで研削され得ることが可能である。
図3は、簡略化された図面でクランクシャフト10を示している。この簡略図では、研削領域23,24,25、つまりクランクシャフト10において完全加工の意味で加工される必要がある領域が示されている。したがって、この図面は、相応する研削タスク、しかもこの場合、エンジンの8気筒−クランクシャフトまたはV型エンジンの16気筒−クランクシャフトのための相応する研削タスクを示している。このクランクシャフト10において、メインベアリング部10.1、クランクピンベアリング部10.2およびジャーナル10.3の形態の端部領域を備えたシャフト端部が研削され得る。このことは唯1つの機械において、1回の締付けにおいて行われ、この場合にクランクシャフト10が合間に積み込み/積み下ろしされる必要はない。メインベアリング部10.1は、メインベアリング部のための研削領域23によって、クランクピンベアリング部10.2は、クランクピンベアリング部のための研削領域24によって、ジャーナル10.3の形態の円筒形の端部領域は、ジャーナルのための研削領域25によって図示されている。さらに、クランクシャフトは、右側でフランジ10.6を有している。このフランジ10.6は、同様にその平面においても研削される必要がある。さらに、クランクシャフト10は、その端面側の端部においてセンタ穴10.4を有している。このセンタ穴10.4は、各緊締チャック17,18のセンタリング尖端部26,27が係合し、クランクシャフト10をセンタリングして収容するために設けられている。
一般的な研削タスクでは、まず振止め座がクランクシャフトのメインベアリング部10.1において粗研削されるので、円形のきれいに研削された振止め座が研削されている。別の工程で、クランクシャフト10がメインベアリング部10.1に当て付けられた振止め11によってその長さにわたって安定的に支持されるまで、別の振止め座が相前後して、または時間並行に研削される。別の研削工程において、クランクピンベアリング部10.2およびメインベアリング部10.1が粗研削されるので、全ての支承箇所はその直径、曲率移行部および平面において粗研削されている。粗研削後に、クランクピンベアリング部、メインベアリング部およびシャフト端部の、完成寸法への仕上げ研削が行われる。粗研削および仕上げ研削は、有利には1つの同一の研削ディスク7,9により行われる。クランクシャフト10の完全研削時に、上述の方法は、対応するクランクシャフトの研削のために技術的に有利かつ有意義であるように使用される。この場合、研削の順番は各クランクシャフトに依存し、完全に変更され得る。概して、大型のクランクシャフトでは、規定された研削順番は固定的に規定されかつ設定され得ない。なぜならば、研削の技術は、自由になる切り屑に関してかつクランクシャフトの可能な歪みに関連して、研削時の加工および挙動に強く依存するからである。クランクシャフトを形成する材料が研削の順番を固定するための別の要因とみなされる。種々異なる材料から成るか、または互いに異なる硬化処理を受けた同一に前処理されたクランクシャフトでさえ、この特性を考慮しながら研削順番に関して部分的に異なって加工される必要がある。研削順番のための別の要因は、クランクシャフトの固有振動である。固有振動は、同様に規定された研削順番をもたらす、もしくは要求し得る。
図4は、図2の拡大図を示している。クランクシャフト10は、部分的にしか示されていない。図2に補足して、ここでは拡大図で、ワーク主軸台3の、緊締爪17.1およびセンタリング尖端部26を備えた緊締チャック17と、心押台4の、緊締爪18.1およびセンタリング尖端部27を備えた緊締チャック18とが図示されている。センタリング尖端部26,27は、一緒に駆動されるように形成されているので、緊締爪17.1が戻されている場合に、クランクシャフトは未だにセンタリングされてセンタリング尖端部26,27を介して保持され、締め付けられている。2つの振止め11が示されている。
図5には、ワーク主軸台側の、開放された緊締爪17.1を備える緊締チャック17が示されている。緊締爪は、戻されている。引戻しは、それぞれ上下に示された両方向矢印により示されている。緊締チャック17は、さらにセンタリング尖端部26を有している。このセンタリング尖端部26は、緊締爪が戻されている場合に、クランクシャフト10をそのジャーナル10.3において引続き中心で支持するもしくは締め付けている。振止め11は、クランクシャフト10の、左側から見てクランクピンベアリング部10.2の後方にある第1のメインベアリング部10.1を支持している。この場合、振止め11は、研削テーブル2上に取り付けられている保持部上に配置されている。
緊締爪17.1の、図示された戻された位置では、クランクシャフト10の端部領域のジャーナル10.3ならびに場合によっては存在する平面が研削され得る。クランクシャフト10は、左側の端部領域の研削時に、引き続き、心押台4(図示せず)に設けられた緊締チャック18内で緊締されているので、C1軸を実現している駆動されたセンタリング尖端部26に対して付加的に、心押台4のC2軸がクランクシャフト10を研削のために回転駆動する。当然ながら、ワークスピンドルがジャーナル10.3の研削中に一緒に駆動されず、これにより静止している尖端部が存在していることも可能である。このことは、各研削タスクと、研削されるべきクランクシャフトの各形態とに依存する。
図6には、図4に対して拡大された図で、駆動装置C2を備えた心押台4の配置が、クランクシャフト10の右側のジャーナル10.3の緊締状態で示されている。この図面は、心押台4の緊締チャック18がその緊締爪18.1およびセンタリング尖端部27で、緊締するようにジャーナル10.3に係合していることを除けば、原理的には、図5に示した配置に関してワーク主軸台3に相当する。
図7には、ジャーナル10.3の形の円筒形の端部領域が、研削領域25に関して研削ディスク9によりどのように研削され得るかが示されている。心押台4の緊締チャック18はこの場合、緊締爪18.1に関して戻されている。このことは、緊締チャック18の上方および下方に示された両方向矢印により示されている。緊締チャック18のセンタリング尖端部27は、未だにクランクシャフト10のジャーナル10.3の端面に設けられたセンタ穴10.4に係合している。緊締爪18.1が戻されている場合、クランクシャフト10の、ジャーナルの形態の円筒形の端部領域は、研削領域25において研削ディスク9を用いて研削可能であるので、クランクシャフトのこの領域は、直径に関して、かつ場合によっては存在するフランジ10.6の平面においても研削され得る。ジャーナル10.3の研削は、複数回のプランジ研削で研削され得る。研削ディスク9の第2の押し当て後に、研削ディスク9はジャーナルの完全な長さにわたって「移動される」ので、完成部分において完全に円筒形の直径が生じる。クランクシャフト10の左側と、そこに配置されたワーク主軸台3は示されていない。このワーク主軸台3の緊締チャック17は、クランクシャフト10を引き続き緊締して保持しているので、ワーク主軸台3のC1軸駆動装置はクランクシャフト10を研削のために回転駆動する。有利には、心押台4に設けられたセンタリング尖端部27は、この加工中に同様に駆動されているので、心押台側で一緒に回転する尖端部が存在している。しかし、心押台スピンドルがこの部分の研削の間に駆動されず、これにより定置の、または単純に一緒に回転する尖端部が存在していることも可能である。
図8には、図7に相当する図面が示されているが、クランクシャフト10の端部において、円筒形の区分ではなく、接続して位置する端部側の円錐部38を備えた円筒形の区分が研削されるという差異を有している。この場合、研削ディスク9の旋回は、WK旋回軸を介して行われ、この場合、WK2旋回軸16.2を介して行われる。円錐部38の研削時に、研削ディスク9は、円錐部38の外周線に沿って走行する。つまり、X2軸およびZ2軸が補間的に制御されるので、研削ディスク9は、X軸とZ軸の運動の重畳に相応して走行させられる。
図9には、別の例示的な実施の形態が図示されていて、この場合、大型クランクシャフトの完全加工において、大型クランクシャフトが端部側の円筒形のジャーナル10.3の端面においてどのように研削され得るかが示されている。原理的な配置は、図7に示された配置に一致する。この場合、心押台4は、緊締爪18.1およびセンタリング尖端部27を備えた緊締チャック18と共に全体的にクランクシャフト10との係合を解除して戻されている。このことは、太い両方向矢印によって心押台4において示されている。図9に示されているように、研削ディスク9が、ジャーナル10.3の端面を研削することができるように、心押台4は、緊締チャック18と、クランクシャフト10のジャーナル10.3の、センタ穴10.4を備えた端面との間に十分に大きな間隔が実現されている程、戻されなければならない。この端面を研削するために、付加的な振止め11が当て付けられる。この振止め11は、ジャーナル10.3に当て付けられているので、ジャーナル10.3は、クランクシャフト10において、中心軸からのずれなしに研削され得る。この場合、研削ディスク9は、平面研削時に、ジャーナル10.3の外周面から、クランクシャフトの中心長手方向軸線にまでそのX2軸に沿って走行される。研削除去率の大きさは、そのZ2軸を介した研削ディスク9の移動を介して実現される。したがって、図9に図示された作業形式では、クランクシャフト10の完全加工が、クランクシャフトの端部ジャーナル10.3の端面を含んでいる。ワーク主軸台3において、緊締チャック17はその緊締爪17.1に関しても、センタリング尖端部26に関しても、左側のジャーナルに係合したままであるので、ワーク主軸台3のC1軸駆動装置は、クランクシャフト10を研削のために回転駆動する。
図10には、支承箇所において、実際の支承箇所からの移行曲率部が、運動の補間によって、つまりX軸およびZ軸の駆動装置の補間によって、研削時に、研削ディスク7,9を用いてどのように「転写」されるかが図示されている。研削ディスク7,9の、研削すべき移行曲率部に沿った運動は、両方の矢印によって研削ディスク7,9の下方の領域に示されている。この方法により、1つの同一のCBN研削ディスクにより種々異なる「エッジ曲率部」を備えた支承箇所が研削され得ることが可能である。
1つの同一の研削ディスク7,9により、実際の支承箇所を画定する平面28が研削され得る。この場合さらに、支承箇所の、ひいてはクランクシャフト10の長手方向軸線に対して垂直方向に配向された平面28を研削する場合に、研削ディスク7,9がWK旋回軸16.1もしくは16.2を中心として僅かに旋回させられてことが必要であり、これにより平面28が確実に、ベアリング部の長手方向軸線に対する各所望の角度で研削され得る。
この方法もしくは該方法を実現するための研削機は、クランクシャフトの端部領域に設けられた相応して連続する直径移行部にも使用され得る。
図11には、研削ディスク7,9の、WK1軸もしくはWK2軸を中心とした付加的な運動によって、たとえば支承箇所におけるクラウニング状の輪郭がどのように生ぜしめられ得るかが示されている。この場合に、研削ディスクの外周面が凹状にツルーイングされている必要はない。WK1旋回軸およびWK2旋回軸のための付加的な駆動装置の利点は、とりわけ、研削ディスクの外周面の円筒形の構成(「平坦な」周面とも云う)によって、たとえばその各WK軸を中心とした研削ディスク7,9の周期的な旋回により、クラウニング状の形状が生ぜしめられ得ることにある。このことは、ツルーイング工程を簡単にし、かつ支承箇所または端部領域において所望される各輪郭のための本発明に係る研削機の使用のフレキシビリティも高める。つまり、円筒形の輪郭から逸脱する輪郭のために、または高い円筒度を有する円筒形の輪郭を達成するために補正するように使用される。このような配置により、同一の研削ディスクによって、クランクピンベアリング部10.2またはメインベアリング部10.1の支承箇所における種々のクラウニングを研削することが可能である。
図11の左部分には、そのX1軸もしくはX2軸に沿った研削ディスク7,9の垂直方向の移動が図示されており、しかもいわゆるプランジ研削における移動が示されている。図11にも僅かにしか示されていない大型クランクシャフトでは、研削ディスク7,9の幅は、このベアリング部を画定している側方の平面の間のベアリング部の長さよりも小さい。したがって、純粋に円筒形の支承面はしばしば以下のように研削される。すなわち、まず隣り合った複数のプランジ研削工程における粗研削で、粗研削輪郭が達成される。粗研削後に残っている、仕上げ研削のための僅かな過剰寸法は、次いで表面の研磨を含む側方の移動によって、ベアリング部の長さにわたって除去される。
研削ディスク7,9の幅が、支承箇所の長さよりも小さい場合、本発明に係る方法および本発明に係る研削機によって、WK1軸もしくはWK2軸を中心とした旋回運動を実現することが可能であり、これにより、図面の右部分に示されているように、クラウニング状の輪郭を有する支承箇所が生ぜしめられる。研削ディスクがそのWK1軸もしくはWK2軸を中心として右側に向かって旋回される場合、破線で示された輪郭が、事前に研削された平面に衝突することなしに研削ディスク7,9が旋回され得る最大輪郭である。クラウニング状の支承箇所の製造時には、WK軸を中心とした旋回ディスクの必要となる旋回により、場合によっては存在する僅かな歪みが、実際の支承箇所から平面への移行曲率部において予想され得る。しかし、この歪みは許容可能な公差範囲にある。なぜならば、支承箇所の輪郭のクラウニングは、いずれにせよマイクロメートル範囲内でしか形成されないからである。
形付けされていない研削ディスクの利点はまさに、研削ディスク7,9のいわゆる平坦な周面が、支承面のクラウニング状の構造を生ぜしめるためにも、円筒形の支承箇所またはクランクシャフトのシャフト端部における円筒形のジャーナルを生ぜしめるためにも、問題なしに利用され得ることにある。
図12には、測定装置30が図示されている。測定装置30は、研削主軸台5,8上に旋回可能に配置されている。測定装置30は、旋回曲線33を介して液圧シリンダ32によって、クランクシャフト10の積込み/積下しのために、研削機から、研削機の外部の自由な位置に出るように旋回させられる。旋回曲線33は、破線で示されている。測定装置30は、メインベアリング部10.1のためにもクランクピンベアリング部10.2のためにも使用可能であり、その前端部に、測定プリズム31を有している。この測定プリズム31は、支承箇所10.1/10.2に向かって接近するように旋回可能である。測定装置30が側方で各支承箇所10.1もしくは10.2に向かって旋回され得ることによって、支承箇所における相応する直径の測定が研削ディスク7,9を用いた研削中に実施され得る。大型クランクシャフトでは、研削ディスク7,9の幅が、各支承箇所の長さよりも小さいので、研削ディスクは、研削のために、そのZ方向の種々異なる研削位置にももたらされなければならない。円筒形の外側輪郭から逸脱する輪郭の測定を含むこともある、研削すべき支承箇所の高い精度を得るために、本発明によれば、測定装置30が、付加的な固有のCNC制御される軸によって、クランクシャフトの長手方向軸線に対して平行に延びる方向に移動可能であり、かつ1つの支承箇所において互いに異なる複数の箇所に設置可能であることが規定されている。存在する測定装置により、ポストプロセス測定も各支承箇所において行われ得る。
たとえば積込みまたは積下ろし時のように、研削ディスク7,9により研削が行われない場合、測定装置は研削ディスク7,9の作業領域から出るように旋回されている。クランクシャフト10は、測定時に常に機械内に緊締されている。
図13には、別の例示的な実施の形態により、偏心して回転するクランクピンベアリング部の研削時に、冷却ノズル35がどのように一緒にガイドされるかが図示されている。この場合、冷却ノズル35の、研削ディスク作用箇所に対するその間隔はほぼ同じままであるようにされる。図13Aには、研削ディスク7,9が、その回転方向34に沿ってかつその接近方向Xに沿ってどのようにクランクピンベアリング部のジャーナル10.2に作用するかが示されている。クランクシャフト10の回転は、部分図Aの右側の部分に示された破線の矢印により示されている。実線の湾曲した両方向矢印36は、固有のCNC運動軸を有する冷却ノズル35の運動を示している。メインベアリング部10.1は、ここでは研磨されない。図13Bは、クランクシャフト10がどのように図13Aに対して90°だけ回転されているかを示しており、この場合、研削ディスク7,9は、X軸に沿った運動により、クランクピンジャーナル10.2を追従する。CNC冷却ノズル軸に沿った運動により、冷却ノズル35も同じように一緒にガイドされる。図13Cには、図13Aに対して180°だけ回転させたクランクピンジャーナル10.2の運動が示されている。ここでも、冷却ノズル35が、クランクピンジャーナル10.2における研削ディスク7,9の直接的な研削作用箇所に対してほぼ同じ大きさの間隔を有していることが判る。最後に図13Dには、クランクシャフト10が、図13Aに示した出発点に対して270°だけ回転されている場合を示している。この場合、同様に冷却ノズル35が一緒にガイドされ、研削作用箇所に対してほぼ同じ大きさの間隔を有している。研削ディスク7,9は、この研削運動を、いわゆる振子式研削(Penedlhubschleifen)において実施する。この場合、CNC冷却ノズル軸により一緒にガイドされた冷却ノズル35は、研削すべきクランクピンジャーナル10.2における研削ディスク7,9の研削作用箇所の確実かつ最適な冷却を保証する。
図14に示されているように、クランクシャフト10のメインベアリング部10.1が研削される場合には、当然ながら、CNC冷却ノズル軸を作動する必要はない。むしろ冷却ノズル35は固定的に配置されていてよく、それにもかかわらずクランクシャフト10の相応する回転時に冷却ノズル35は、メインベアリング部ジャーナル10.1における研削ディスク7,9の研削作用箇所に対して一定の間隔を有している。同様に、研削ディスクの回転方向34およびそのX軸に沿った移動が示されている。
したがって、本発明に係る研削機により、種々異なる形態、種々異なる材料および種々異なる要求を有する大型クランクシャフトの研削技術による加工時に、高いフレキシビリティが、高い加工品質を維持しながら可能にされている。
1 機械ベッド
2 研削テーブル
3 C1軸を有する第1のワーク主軸台
4 C2軸を有する心押台/第2のワーク主軸台
5 第1の研削主軸台
6 研削スピンドル
7 第1の研削ディスク
8 第2の研削主軸台
8.1 研削スピンドル
9 第2の研削ディスク
10 クランクシャフト
10.1 メインベアリング部
10.2 クランクピンベアリング部
10.3 端部ジャーナル
10.4 センタ穴
10.5 ウェブ
10.6 フランジ
11 振止め
12 C1軸の駆動装置
13 C2軸の駆動装置
14 Z1軸の駆動装置
15 Z2軸の駆動装置
16.1 WK1旋回軸
16.2 WK2旋回軸
17 緊締チャック ワーク主軸台
17.1 緊締爪
18 緊締チャック 心押台
18.1 緊締爪
19 長さ測定装置
20 ツルーイング装置
21 ガイド Z軸
22 ガイド X軸
23 研削領域 メインベアリング部
24 研削領域 クランクピンベアリング部
25 研削領域 端部ジャーナル
26 センタリング尖端部 ワーク主軸台
27 センタリング尖端部 心押台
28 平面 メインベアリング部/クランクピンベアリング部
29 クラウニング状の輪郭 支承箇所
30 測定装置
31 測定プリズム
32 液圧シリンダ
33 旋回曲線
34 回転方向 研削ディスク
35 冷却ノズル
36 運動 冷却ノズル
37 回転方向 クランクシャフト
38 円錐部

Claims (23)

  1. トラックエンジン、船舶エンジンまたは定置用エンジンの大型クランクシャフトを完全研削する方法であって、
    a)クランクシャフト(10)の少なくともメインベアリング部(10.1)およびクランクピンベアリング部(10.2)を少なくとも1つの第1のCBN研削ディスク(7)により粗研削および仕上げ研削し、
    b)前記クランクシャフト(10)の少なくとも両端部領域を粗研削および仕上げ研削し、
    c)前記粗研削および前記仕上げ研削を、前記クランクシャフト(10)の唯1回の締付けにおいて行い、
    d)前記クランクシャフト(10)のメインベアリング部(10.1)を、振止め座を含めて粗研削し、
    e)それぞれ1つの振止め(11)を、研削された前記振止め座に当て付け、
    f)前記クランクシャフト(10)を両緊締端部において、互いに同期的に作動する電気的な駆動装置C1(12)および駆動装置C2(13)により駆動し、
    g)前記クランクピンベアリング部(10.2)および/または前記メインベアリング部(10.1)の外周面の所望の形状を、それぞれCNC制御されるX1軸,Z1軸およびWK1軸(16.1)を備えた前記第1の研削ディスク(7)の補間的な運動により生ぜしめ、前記X1軸は、前記メインベアリング部(10.1)または前記クランクピンベアリング部(10.2)の長手方向軸線に対して垂直方向の前記第1の研削ディスク(7)の送りをもたらし、前記Z1軸は、前記メインベアリング部(10.1)または前記クランクピンベアリング部(10.2)の長手方向軸線に対して平行方向への前記第1の研削ディスク(7)の送りをもたらし、かつ前記WK1軸(16.1)は、前記第1の研削ディスク(7)の旋回軸線を構成し、該旋回軸線は、前記第1の研削ディスク(7)と、前記クランクシャフト(10)の長手方向軸線と前記第1の研削ディスク(7)との作用点とを通って延びており、前記第1の研削ディスク(7)は、前記クランクシャフト(10)の前記メインベアリング部(10.1)および前記クランクピンベアリング部(10.2)の軸方向の長さよりも小さな幅を有しており、
    h)前記メインベアリング部(10.1)および/または前記クランクピンベアリング部(10.2)の軸方向の長さに沿って互いに間隔を空けた測定箇所において少なくとも2つの目下の直径を測定工程において測定し、測定結果に基づいて、前記第1の研削ディスク(7)のX1軸,Z1軸およびWK1軸(16.1)を、前記クランクシャフト(10)の前記メインベアリング部および/またはクランクピンベアリング部の前記外周面の所望の目標輪郭を達成するために制御する、
    ことを特徴とする、トラックエンジン、船舶エンジンまたは定置用エンジンの大型クランクシャフトを完全研削する方法。
  2. 少なくとも前記第1の研削ディスク(7)の前記X1軸,Z1軸およびWK1軸(16.1)を、前記メインベアリング部(10.2)および/または前記クランクピンベアリング部(10.2)の円筒形の形状を生ぜしめるように、制御する、請求項1記載の方法。
  3. 少なくとも前記第1の研削ディスク(7)の前記X1軸,Z1軸およびWK1軸(16.1)を、前記メインベアリング部(10.1)および/または前記クランクピンベアリング部(10.2)の前記円筒形の形状から逸脱する所望の形状を生ぜしめるように、制御する、請求項1記載の方法。
  4. 前記クランクシャフト(10)の長さ寸法を測定し、少なくとも前記第1の研削ディスク(7)の研削位置を制御するために、該研削ディスク(7)の、前記X1軸およびZ1軸のためのCNC制御装置に伝達する、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
  5. 前記クランクシャフト(10)の1つの端部領域の研削時に、該端部領域に設けられたワーク主軸台(3)および心押台(4)または第2のワーク主軸台(4)に設けられた緊締チャック(17)を解除し、前記クランクシャフト(10)を前記緊締チャック(18)の尖端部(27)によってセンタリングして保持する、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
  6. 前記クランクシャフト(10)の1つの端部領域の研削時に、該端部領域に設けられたワーク主軸台(3)および心押台または第2のワーク主軸台(4)に設けられた緊締チャック(17)を解除し、前記クランクシャフト(10)を付加的な振止め(11)によって保持する、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
  7. 第2のCBN研削ディスク(9)が、そのCNC制御されるX2軸駆動装置およびZ2軸駆動装置(15)ならびにCNC制御される付加的なWK2旋回軸駆動装置(16.2)によって、前記クランクシャフトの前記粗研削および仕上げ研削を実施する、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
  8. 前記クランクシャフト(10)の少なくとも1つの端部領域を、前記第2の研削ディスク(9)により研削する、請求項7載の方法。
  9. 少なくとも4つの振止め座(11)を研削する、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  10. 前記クランクシャフト(10)の少なくとも1つの端部領域を、前記第1の研削ディスク(7)により研削する、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。
  11. 前記CBN研削ディスク(7,9)を用いて、前記クランクシャフト(10)の前記外周面輪郭の曲率部を転写により研削する、請求項7から10までのいずれか1項記載の方法。
  12. 少なくとも前記第1の研削ディスク(7)を、前記クランクシャフト(10)の前記研削加工の間の規定されたインターバルでツルーイングする、請求項1から11までのいずれか1項記載の方法。
  13. トラックエンジン、船舶エンジンまたは定置用エンジンの大型クランクシャフトの完全加工用の研削機であって、該研削機は、機械ベッド(1)上に配置されて、
    a)CNC制御されるそれぞれ1つの回転駆動装置C1(12)および回転駆動装置C2(13)を備えた、それぞれ研削テーブル(2)上に配置された第1のワーク主軸台(3)および第2のワーク主軸台(4)であって、該第1のワーク主軸台(3)と該第2のワーク主軸台(4)との間に、研削すべき前記クランクシャフト(10)が締め付けられており、前記回転駆動装置C1(12)および前記回転駆動装置C2(13)は、前記クランクシャフト(10)をその両端部において互いに同期的に回転駆動する、第1のワーク主軸台(3)および第2のワーク主軸台(4)と、
    b)前記クランクシャフト(10)の少なくともメインベアリング部(10.1)およびクランクピンベアリング部(10.2)を粗研削および仕上げ研削するために、X1軸およびZ1軸のCNC制御される駆動装置(14)を備えた、少なくとも第1のCBN研削ディスク(7)を有する第1の研削主軸台(5)であって、前記X1軸は、前記メインベアリング部(10.1)または前記クランクピンベアリング部(10.2)の長手方向軸線に対して垂直方向の前記第1の研削ディスク(7)の送りをもたらし、前記Z1軸は、前記メインベアリング部(10.1)または前記クランクピンベアリング部(10.2)の長手方向軸線に対して平行方向への前記第1の研削ディスク(7)の送りをもたらし、前記第1の研削ディスク(7)は、WK1旋回軸のためのCNC制御される別の駆動装置(16.1)を有しており、前記WK1軸(16.1)は、前記第1の研削ディスク(7)の旋回軸線を構成し、該旋回軸線は、前記第1の研削ディスク(7)と、前記クランクシャフト(10)の長手方向軸線と前記第1の研削ディスク(7)との作用点とを通って延びており、前記X1軸、Z1軸およびWK1軸は、少なくとも前記メインベアリング部およびクランクピンベアリング部の所望の外周面輪郭が達成可能であるように、互いに対して補間可能に、かつ互いに対して依存して制御可能である、第1の研削主軸台(5)と、
    c)各支承部上に配置され、各クランクシャフトメインベアリング部に向かって、該メインベアリング部に接触するように接近可能な振止め(11)であって、前記第1の研削ディスク(7)によって振止め座が研削されている、振止め(11)と、
    d)少なくとも研削主軸台(5,8)のうちの一方に配置され、移動軸線を有する測定装置(30)であって、前記移動軸線は、前記メインベアリング部(10.1)または前記クランクピンベアリング部(10.2)の長手方向軸線に対して平行に延びており、該移動軸線に沿って前記測定装置(30)は測定位置にもたらされてよく、該測定位置において、目下の直径が前記測定装置(30)によって記録可能であり、該直径に基づいて、前記第1の研削ディスク(7)の前記X1軸、Z1軸およびWK軸(16.1)が所望の目標輪郭を達成するために制御可能である、測定装置(30)と、
    を備えることを特徴とする、トラックエンジン、船舶エンジンまたは定置用エンジンの大型クランクシャフトの完全加工用の研削機。
  14. 前記回転駆動装置C1(12)および前記回転駆動装置C2(13)が、該回転駆動装置を接続する電気的なシャフトとして形成されている、請求項13記載の研削機。
  15. 前記ワーク主軸台(3,4)が、圧式に走行可能である、請求項13または14記載の研削機。
  16. 前記粗研削および仕上げ研削のために、CNC制御されるX2軸およびZ2軸(15)を備えた第2のCBN研削ディスク(9)を有する前記第2の研削主軸台(8)が設けられている、請求項13または15記載の研削機。
  17. 前記研削テーブル(2)上に、ダイヤモンドツルーイングホイールを備えたツルーイング装置(20)が配置されており、該ツルーイング装置(20)により前記第1の研削ディスク(7)と前記第2の研削ディスク(9)とがそれぞれの目標輪郭にツルーイング可能である、請求項16記載の研削機。
  18. 前記第1の研削主軸台(5)および/または前記第2の研削主軸台(8)に長さ測定装置が配置されており、該長さ測定装置は、前記Z1軸もしくは前記Z2軸に沿って種々異なる測定位置に走行可能であり、該長さ測定装置によって前記第1の研削ディスク(7)もしくは前記第2の研削ディスク(9)が前記クランクシャフト(10)におけるその研削位置へと制御可能である、請求項16または17記載の研削機。
  19. 前記長さ測定装置は、スイッチ測定ヘッドを有している、請求項18記載の研削機。
  20. 前記第2の研削ディスク(9)は、WK2旋回軸のためのCNC制御される付加的な駆動装置(16.2)を有している、請求項16から19までのいずれか1項記載の研削機。
  21. 少なくとも4つの振止め(11)が設けられている、請求項13から20までのいずれか1項記載の研削機。
  22. 前記回転駆動装置C1(12)および前記回転駆動装置C2(13)は、前記クランクシャフト(10)のメインベアリング部加工およびクランクピンベアリング部加工中に、前記クランクシャフトを緊締している位置に留まる、請求項13から21までのいずれか1項記載の研削機。
  23. 冷却ノズル(35)が設けられており、該冷却ノズル(35)が、偏心的に運動する研削箇所へと前記冷却ノズル(35)を追従ガイドするための付加的なCNC駆動装置を有しており、該冷却ノズル(35)は、前記クランクピンベアリング部(10.2)の研削時に、冷却潤滑剤を、前記クランクシャフト(10)の回転時に偏心的に運動する研削箇所に、ほぼ同距離の配置で供給する、請求項13から22までのいずれか1項記載の研削機。
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