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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleifen der Haupt- und Hublager
einer Kurbelwelle durch Außenrundschleifen.
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Die
aus Stahl oder Gusswerkstoffen bestehenden Kurbelwellen werden in
hoher Stückzahl für die Verbrennungsmotoren von
Kraftfahrzeugen hergestellt. Hierbei kommt es neben einer wirtschaftlichen
Massenfertigung vor allem auf die größte mögliche
Genauigkeit hinsichtlich Durchmesser, Rundheit, Rundlauf und Zentrizität
an. An Schleifverfahren der genannten Art werden daher sehr hohe
Ansprüche gestellt. Gemäß der
EP 1 181 132 B1 war
schon erkannt worden, dass das Schleifergebnis verbessert werden
kann, indem die Haupt- und Hublager der Kurbelwellen in einer ganz
bestimmten Reihenfolge geschliffen werden.
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Beim
Schleifen der zunächst nur spanend bearbeiteten Kurbelwellen
werden nämlich Spannungen frei, die zur Verformung der
Kurbelwellen-Rohlinge während des Schleifens führen.
Besonders stark sind die Verformungen nach dem Schleifen der Hublager.
Gemäß der
EP
1 181 132 B1 ist daher vorgeschlagen worden, die Hublager
möglichst frühzeitig fertigzuschleifen. Es wird
daher die Anweisung gegeben, als erstes die Hauptlager vorzuschleifen,
danach die Hublager vor- und fertigzuschleifen und als letztes die
Hauptlager fertigzuschleifen. Das bekannte Verfahren hat den Vorteil,
dass Verformungen der Kurbelwelle, die aus dem Schleifen der Hublager
herrühren, zum Teil beim Fertigschleifen der Hauptlager wieder
beseitigt werden können. Außerdem kann das bekannte
Verfahren in einer einzigen Aufspannung der Kurbelwelle durchgeführt
werden. Mit dem Vorschleifen der Hauptlager wurde bei diesem bekannten
Verfahren begonnen, damit für das Schleifen der Hublager
die Kurbelwelle in einer genau definierten Drehachse, nämlich
ihrer bestimmenden geometrischen Längsachse eingespannt
ist. Diese bestimmende geometrische Längsachse muss als
Bezugsachse für die Bearbeitung der Hublager zur Verfügung
stehen. An einer fertiggeschliffenen Kurbelwelle müssen
alle Hauptlager sowie weitere zu den Hauptlagern konzentrisch angeordnete
Bereiche der Kurbelwelle hinsichtlich Durchmesser, Rundheit, Rundlauf
und Zentrizität exakt nach der bestimmenden geometrischen
Längsachse der Kurbelwelle ausgerichtet sein. Dasselbe
gilt für die Mittellinie der Kurbelzapfen, die wiederum
bestimmende geometrische Längsachse für die Hublager
ist.
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Hierzu
ist die bestehende geometrische Längsachse mittels Zentrierbohrungen
an den Stirnseiten der Kurbelwelle festgelegt. Die Kurbelwelle wird
zwischen Spitzen an ihren Zentrierbohrungen eingespannt und durch
eine Mitnahmevorrichtung zur Drehung angetrieben. Diese Art der
Einspannung hat den Nachteil, dass ein gewisser Axialdruck auf die
Kurbelwelle ausgeübt werden muss, wodurch die Gefahr von
zusätzlichen Verformungen besteht, weil die Kurbelwelle
sich unter der Wirkung eines Axialdrucks verbiegt. Daher ist auch
das Anbringen von einer oder mehreren Lünetten erforderlich.
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Es
sind auch schon Versuche unternommen worden, bei der Einspannung
der Kurbelwelle auf diese einen axialen Zug auszuüben.
Es bleibt aber der Nachteil bestehen, dass schon bei der ersten Stufe
des Verfahrens gemäß der
EP 1 181 132 B1 zusätzliche
Verformungen entstehen können. Ein optimales Schleifergebnis
wird dadurch wieder erschwert; außerdem wird das bekannte
Verfahren dadurch wieder komplizierter.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren
zum Schleifen der Haupt- und Hublager von Kurbelwellen derart zu
verbessern, dass bei noch immer wirtschaftlicher Vorgehensweise
die Genauigkeit des Schleifergebnisses weiter verbessert wird.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren mit der
Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Schleifen der Haupt-
und Hublager hat den Vorteil, dass bereits in der ersten Verfahrensstufe
alle Hublager der Kurbelwelle durch CNC-gesteuertes Außenrundschleifen
bis auf das Fertigmaß geschliffen werden. Die erfahrungsgemäß stärkste
Verformung der Kurbelwelle, die aus dem Freiwerden von Spannungen
herrührt, findet somit gleich zu Beginn des Schleifens
statt. Die Spannungen in der Kurbelwelle haben sich danach komplett
abgebaut, und es erfolgt kein weiterer nennenswerter Verzug mehr.
Erst danach wird mit dem Schleifen der Hauptlager begonnen, wobei
noch die größte Möglichkeit der Korrektur besteht.
Beim Schleifen der Hauptlager selbst ergeben sich weit geringere
Verformungen als beim Schleifen der Hublager.
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Die
Erfindung erreicht dieses Ergebnis in überraschender Weise
dadurch, dass man darauf verzichtet, die Kurbelwelle beim Schleifen
der Hublager schon um die bestimmende geometrische Längsachse
zu drehen. Diese Längsachse ist zwar bekannt und durch
an den Stirnseiten der Kurbelwelle befindliche Zentrierbohrungen
festgelegt. Die Kurbelwelle wird aber an zwei ungeschliffenen Lagerstellen
eingespannt, die im Abstand voneinander in der gemeinsamen Längs erstreckung
der Hauptlager liegen. Das Einspannen gelingt beispielsweise durch
Schalenspannfutter, welche die beiden ungeschliffenen Lagerstellen
umfassen, in jedem Fall ohne Ausüben eines Axialdrucks
auf die Kurbelwelle. Diese beiden Lagerstellen definieren eine tatsächliche
Drehachse, deren Abweichung von der bestimmenden geometrischen Längsachse
der Kurbelwelle durch Messung bekannt ist. Die bekannte Abweichung
wird beim Schleifen der Hublager als Korrekturfunktion im Rechner
der CNC-Steuerung der Schleifmaschine berücksichtigt. Die
fertiggeschliffenen Hublager haben dann einen exakten Bezug zu Hauptlagern
der Kurbelwelle, die streng nach der bestimmenden geometrischen
Längsachse der Kurbelwelle geschliffen wären.
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Anschließend
an das Fertigschleifen der Hublager wird die Aufspannung der Kurbelwelle
gewechselt und eine zweite Aufspannung vorgenommen, bei der die
Kurbelwelle an ihren axialen Enden eingespannt und zur Drehung um
ihre bestimmende geometrische Längsachse angetrieben wird;
in dieser zweiten Aufspannung werden alle Hauptlager durch Außenrundschleifen
bis auf das Fertigmaß geschliffen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit darauf
verzichtet, das Schleifen in einer einzigen Aufspannung vorzunehmen.
Dieser Nachteil wird aber durch eine höhere Genauigkeit
im Schleifergebnis hinsichtlich Durchmesser, Rundheit, Rundlauf
und Zentrizität bei weitem ausgeglichen. Vergleichsversuche
der Anmelderin haben ergeben, dass eine Rundlauftoleranz an den
mittleren Hauptlagern von üblichen Kurbelwellen, die bisher
bei 0,05 mm gelegen hat, durch das erfindungsgemäße
Verfahren auf ca. 0,03 mm verbessert werden konnte.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den Ansprüchen 2 bis 13 angegeben.
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Vorteilhaft
werden gemäß Anspruch 2 die Rohlinge der Kurbelwelle
durch spanende Bearbeitung vorbearbeitet, danach die für
die erste Aufspannung vorgesehenen Lagerstellen hinsichtlich Durchmesser,
Rundheit und Zentrizität vermessen und aus der Abweichung
der gemessenen Werte von der bestimmenden geometrischen Längsachse
eine Korrekturfunktion für das Pendelhub-Schleifverfahren der
Hublager gebildet.
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Zur
praktischen Durchführung des Verfahrens ist es gemäß Anspruch
3 vorteilhaft, wenn zur Lagebestimmung der geometrischen Längsachse
an den Stirnseiten der Kurbelwelle Zentrierbohrungen angebracht
werden, an denen die Kurbelwelle in einer Schleifmaschine zentrierend
eingespannt werden kann.
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Vorteilhaft
ist es ferner, wenn gemäß Anspruch 4 eine von
der bestimmenden geometrischen Längsachse ausgehende radial
verlaufende Gerade als Referenzlinie für die Winkellage
der gemessenen Werte festgelegt und hierfür eine Referenzbohrung
in einer Stirnseite der Kurbelwelle ausgemessen wird.
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Als
Lagerstellen für das Einspannen der Kurbelwelle beim Schleifen
der Hublager kommen die beiden äußeren Hauptlager
in Frage oder andere endseitige zylindrische Abschnitte, die in
derselben gemeinsamen Längserstreckung wie die Hauptlager liegen.
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In
der ersten Aufspannung werden die beiden in Frage kommenden Lagerstellen
der Kurbelwelle vorteilhaft in Schalenspannfuttern einer Schleifmaschine
gelagert und die Kurbelwelle dadurch an ihren beiden Enden zur Drehung
angetrieben. Hierbei sind die Antriebe an den beiden Enden der Kurbelwelle – üblicherweise
Werkstückspindelstock und Reitstock – durch die
Maschinensteuerung exakt synchronisiert angetrieben.
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Das
Schleifen der Hublager im Pendelhub-Schleifverfahren kann mit einer
einzigen Schleifscheibe durchgeführt werden, die vom Vorschleifen bis
zum Fertigschleifen dient und nacheinander an den verschiedenen
Hublagern zum Einsatz kommt. Besonders wirtschaftlich ist aber ein
Pendelhub-Schleifverfahren, bei dem mehrere Schleifscheiben gleichzeitig
zum Einsatz kommen. Beispielsweise bei Vierzylinder-Motoren haben
jeweils zwei Hublager dieselbe Phasenlage in Bezug auf die bestimmende
geometrische Längsachse. Daher können jeweils
zwei Hublager gleichzeitig und mit derselben radialen Zustellbewegung
auf die Kurbelwelle hin geschliffen werden. Hierbei werden zuerst
die beiden inneren Hublager und sodann – nach axialem Auseinanderfahren
der beiden Schleifscheiben – die beiden äußeren
Hublager geschliffen. Es ist aber auch möglich, auf einem
einzigen Kreuzschlitten zwei Schleifspindeln anzubringen, die gleichzeitig,
aber mit unterschiedlicher radialer Zustellung an zwei Hublagern
mit unterschiedlicher oder gleicher Phasenlage zum Einsatz kommen.
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Auch
das Schleifen der Hauptlager kann gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung CNC-gesteuert erfolgen.
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Das
Schleifen der Hauptlager erfolgt in der zweiten Aufspannung der
Kurbelwelle, in der diese vorteilhaft zwischen Zentrierspitzen eingespannt
und zumindest an ihrem werkstückspindelstock-seitigen Ende
durch Mitnahme- und Antriebseinrichtungen zur Drehung angetrieben
wird. Die Mitnahme- und Antriebseinrichtungen bestehen dabei vorteilhaft
aus Ausgleichs-Spannfuttern, deren Spannbacken sich selbsttätig
an die noch immer ungeschliffene Einspannstelle anlegen und dabei
Unregelmäßigkeiten und Maßabweichungen
ausgleichen. Derartige Ausgleich-Spannfutter beruhen auf der Wirkung
eines pneumatischen oder hydraulischen Druckmediums und sind bekannt.
Durch das Zusammenwirken der Zentrierspitzen mit den an der Kurbelwelle
befindlichen Zentrierbohrungen ist dann in jedem Fall gewährleistet,
dass in der zweiten Aufspannung die Kurbelwelle exakt um ihre bestimmende
geometrische Längsachse rotiert.
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Das
Einspannen der Kurbelwelle zwischen den Zentrierspitzen hat keine
negativen Auswirkungen auf das Schleifergebnis, wenn die Hauptlager nach
den Hublagern geschliffen werden. Denn die aus dem Freiwerden von
Spannungen herrührenden Verformungen der Kurbelwelle sind
jetzt bereits abgeschlossen. Soweit sie sich auf die Genauigkeit
der Hauptlager auswirken, werden diese Ungenauigkeiten durch das
Fertigschleifen der Hauptlager wieder beseitigt. Deshalb ist es
für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich,
dass die Kurbelwelle in der ersten Verfahrensstufe an zwei ungeschliffenen
Lagerstellen eingespannt ist, die im Abstand voneinander in der
gemeinsamen Längserstreckung der Hauptlager liegen, ohne
dass ein Einspannen durch Zentrierspitzen erfolgt. Beispielsweise
durch Schalenspannfutter gelingt dabei ein steifes Einspannen der
Kurbelwelle, ohne dass ein Axialdruck auf diese ausgeübt
werden muss. Für das erfindungsgemäße Verfahren
ist es somit wesentlich, dass in den zwei Verfahrensstufen jeweils
die angegebene unterschiedliche Einspannung erfolgen muss.
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Das
Rundschleifen der Hauptlager in der zweiten Aufspannung erfolgt
besonders wirtschaftlich mit einem Mehrfach-Schleifscheibensatz,
dessen Schleifscheiben sich auf einer gemeinsamen angetriebenen
Achse befinden und denselben Durchmesser haben. Es ist aber auch
möglich, die zweite Bearbeitungsstufe mit einer einzigen
Schleifscheibe durchzuführen, die nacheinander an die einzelnen Hauptlager
zugestellt wird.
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Wenn
es die Ausbildung der Kurbelwelle erfordert, kann in der zweiten
Verfahrensstufe eine Unterstützung mittels einer oder mehrerer
Lünetten erfolgen.
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Die
Erfindung befasst sich auch mit Vorrichtungen zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Grundsätzlich
ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht daran
gebunden, dass es in einer bestimmten Vorrichtung durchgeführt
werden muss. Beispielsweise können die angelieferten, lediglich spangebend
bearbeiteten Kurbelwellen-Rohlinge in einer Messstation vermessen
und sodann durch innerbetrieblichen Transport an eine erste Schleifmaschine
gebracht werden, in der das Pendelhub-Schleifen der Hublager stattfindet.
Wiederum an einer anderen Stelle kann eine weitere Schleifmaschine
stehen, in der die lediglich an den Hublagern fertiggeschliffenen
Kurbelwelle nunmehr an den Hauptlagern geschliffen wird.
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Vorteilhafter
wird in den meisten Fällen eine gemeinsame Aufstellung
von Messstation sowie erster und zweiter Schleifstation sein. Eine
besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 14
angegeben. Eine gemeinsame Schleifzelle mit einer ersten und zweiten
Schleifstation ermöglicht in wirtschaftlicher Weise das
Zusammenfassen von Antriebs-, Steuerungs- sowie Kühl- und
Transporteinrichtungen, die bei beiden erforderlichen Schleifstationen
vorhanden sein müssen. Auch das unmittelbare Vorschalten
der Messstation ist in diesem Fall von Vorteil.
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Es
muss noch hervorgehoben werden, dass mit den beiden erfindungsgemäß vorgesehenen Schleifvorgängen
das Rundschleifen der Kurbelwelle zumindest an den Durchmessern
von Haupt- und Hublagern beendet ist und keine weitere Schleifbearbeitung
mehr durchgeführt werden muss. Übliche Schleifscheiben
auf Korund- und CBN-Basis können zur Anwendung kommen.
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Die
Erfindung wird anschließend anhand eines in Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher
erläutert. Die Figuren zeigen das Folgende:
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1 ist
die Seitenansicht einer Kurbelwelle und dient zur Erläuterung
der Messungen, die vor dem Schleifen der Kurbelwelle erforderlich
sind.
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2 ist
eine zu 1 gehörende Stirnansicht.
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3 zeigt
in der Darstellung von oben als Beispiel eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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4 zeigt
in einem Teil-Längsschnitt eine Einzelheit zu der Vorrichtung
gemäß 3 beim Schleifen der Hublager.
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5 ist
eine Stirnansicht auf ein Schalenspannfutter aus der Darstellung
gemäß 4.
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6 zeigt
den der 5 entsprechenden Längsschnitt
durch ein Schalenspannfutter.
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7 ist
eine Darstellung der Verhältnisse beim anschließenden
Schleifen der Hauptlager.
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8 verdeutlicht
Einzelheiten des beim Schleifvorgang gemäß 7 erforderlichen
Ausgleichsfutters.
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In 1 ist
in einer Seitenansicht eine Kurbelwelle 1 dargestellt.
Sie weist wie üblich Wangen 2, innere Hauptlager 3 und äußere
Hauptlager 4 sowie Hublager 5 auf. An dem einen
Ende der Kurbelwelle 1 befindet sich ein Flansch 6 und
an dem anderen Ende ein Zapfen 7. Die Kurbelwelle 1 weist
eine bestimmende geometrische Längsachse 10 auf,
welche die theoretische Mittellinie der Kurbelwelle 1 bildet.
In dieser bestimmenden geometrischen Längsachse 10 liegen
auch die Zentrierbohrungen 8 und 9, die vorhanden
sind, wenn mit dem Vermessen des Kurbelwellen-Rohlings begonnen
wird.
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Zu
diesem Zeitpunkt ist die aus Stahl oder Gusswerkstoffen bestehende
gegossene oder geschmiedete Kurbelwelle 1 erst spanend,
also vor allem durch Drehen, Bohren oder Wirbelfräsen bearbeitet.
Dabei liegen die Lagerstellen, die für die erste Aufspannung
beim Schleifen dienen sollen, zumeist nicht genau in der bestimmenden
geometrischen Längsachse 10, die durch die Zentrierbohrungen 8 und 9 festgelegt
ist. Im vorliegenden Beispiel ist eine Aufspannung an den äußeren
Hauptlagern 4 vorgesehen. Diese werden daher als Messstellen 11, 12 herangezogen,
an denen Durchmesser, Rundheit und Zentrizität gemessen
werden. Die Messwerte werden in Abhängigkeit vom Umfangswinkel
an jeder Messstelle 11, 12 erfasst und gespeichert.
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Jede
Kurbelwelle 1 wird einzeln vermessen. Messen und Speichern
erfolgt in einer Messstation 13, die sich direkt neben
einer Schleifmaschine befinden kann, vgl. 3. Dann
werden die Messwerte unmittelbar in den Rechner der Schleifmaschine übertragen.
Es ist aber auch möglich, die Messung getrennt von der
Schleifmaschine vorzunehmen. In diesem Fall wird der Kurbelwelle 1 beim
innerbetrieblichen Transport ein Speichermedium beigefügt,
der das Messprotokoll enthält.
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Auf
Grund dieser Messungen werden in den beiden Messstellen 11 und 12 die
Mittelpunkte der beiden in radialen Querebenen liegenden Lagerstellen
gemessen, welche durch die beiden Hauptlager 4 gegeben
sind. Die Verbindung der beiden Mittelpunkte ergibt die Drehachse
der Kurbelwelle 1 in der ersten Aufspannung. In den Zentrierbohrungen 8 und 9 ist
ferner je ein Konus 14, 15 zum späteren
Ansetzen der Zentrierspitzen 52, 53 in der zweiten
Aufspannung vorhanden, vgl. 7.
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Zum
Schleifvorgang muss nicht nur an jeder Einspannstelle, also im vorliegenden
Fall an den beiden äußeren Hauptlagern 4,
in Abhängigkeit vom Umfangswinkel die radiale Lage des
Mittelpunktes der bestimmenden geometrischen Längsachse 10 bekannt
sein, sondern es muss auch die Ausgangs-Drehlage der zu schleifenden
Kurbelwelle 1, also die Null-Lage des Umfangswinkels festgelegt werden.
Hierzu wird im Anschluss an das Vermessen der Kurbelwelle 1 beispielsweise
eine Referenzbohrung 16 in der Stirnfläche des
Flansches 6 ausgemessen. Da mit kann die Kurbelwelle 1 in
einer vororientierten Drehlage der Schleifmaschine zugeführt und
eingespannt werden. Die Anordnung der Referenzbohrung 16 geht
aus 2 hervor. Die Referenzbohrung 16 ist
zusätzlich zu Befestigungsbohrungen 18 vorhanden,
die in dem Flansch 6 vorhanden sind.
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2 kann
einen Eindruck davon vermitteln, wie Durchmesser, Rundheit, Rundlauf
und Zentrizität punktweise für verschiedene Umfangswinkel
an den Messstellen 11 und 12 gemessen und gespeichert werden.
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3 zeigt
die beispielhafte Anordnung einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Da die Einzelheiten
der hierbei verwendeten Schleifmaschinen dem Fachmann geläufig
sind, reicht an dieser Stelle eine schematische Übersicht-Zeichnung
aus. In der gemeinsam zu einer Anlage zusammengefassten Vorrichtung
befindet sich die Messstation 13 unmittelbar neben einer Schleifzelle 21,
die eine erste Schleifstation 22 und eine zweite Schleifstation 23 umfasst.
Die beiden Schleifstationen 22, 23 sind auf einem
gemeinsamen Maschinenbett 24 angeordnet. Das Maschinenbett umfasst
einen Maschinentisch 25 (der auch in Richtung der gemeinsamen
Längsachse 32 verschiebbar angeordnet sein kann).
In der gemeinsamen Längsachse 32 verläuft
auch die Achsrichtung 19 der Kurbelwelle, wenn diese sich
in der Messstation 13 befindet.
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Zu
der ersten Schleifstation 22 gehören ein Werkstück-Spindelstock 26 und
ein Reitstock 27, die beide elektromotorisch synchron angetrieben
sind. Eine Kurbelwelle 1 wird zwischen dem Werkstück-Spindelstock 26 und
dem Reitstock 27 eingespannt. Ferner gehört zu
der ersten Schleifstation 22 ein Kreuzschlitten 28 mit
einem Schleifspindelstock 29, auf dem sich zwei Schleifspindeln 30, 31 befinden.
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Zu
der zweiten Schleifstation 23 gehören ebenfalls
ein Werkstück-Spindelstock 36 und ein Reitstock 37,
zwischen denen eine Kurbelwelle 1 eingespannt und zur Drehung
angetrieben wird. Ein zu der zweiten Schleifstation 23 gehörender
Kreuzschlitten 38 trägt auf einer gemeinsamen
angetriebenen Achse 39 einen Mehrfach-Schleifscheibensatz mit
Schleifscheiben 40, die beim Schleifen der Hauptlager 3, 4 gemeinsam
gegen die Hauptlager 3, 4 zugestellt werden. Mit 41 sind
die Antriebsmotoren für die Zustellachse der Kreuzschlitten 28, 38 und
mit 42 Abdeckungen bezeichnet, welche die Schleifspäne von
den Gleitführungen der Schleifstationen 22, 23 fernhalten.
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Die
Spann- und Antriebsvorrichtungen der beiden Werkstück-Spindelstöcke 26, 36 und
der beiden Reitstöcke 27, 37 liegen in
der schon erwähnten gemeinsamen Längsachse 32.
Die Längsachse 32 ist zugleich die Drehachse (C-Achse)
der Kurbelwellen 1 beim Schleifen.
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Die
beiden Kreuzschlitten 28, 38 sind in Richtung
der Achse 34, also parallel zu der gemeinsamen Längsachse 32 verfahrbar,
und zudem ist der Schleifspindelstock senkrecht dazu in der Richtung der
Achse 33 (X-Achse) verfahrbar. In Richtung der Achse 33 werden
die Schleifscheiben 31, 40 beim Schleifen gegen
die Kurbelwellen 1 zugestellt. Für betriebliche
Messungen während des Schleifvorganges sind Messvorrichtungen
vorgesehen, die im einzelnen nicht dargestellt sind.
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Zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es wesentlich, dass der Werkstück-Spindelstock 26 und
der Reitstock 27 der ersten Schleifstation 22 mit
Schalenspannfuttern 43 ausgestattet sind. Wenn die erst
spanend bearbeitete und vermessene Kurbelwelle in Schalenspannfuttern 43 eingespannt
wird, rotiert sie beim Antrieb des Werkstück-Spindelstocks 26 und
des Reitstocks 27 nicht um ihre bestimmende geometrische
Längsachse, sondern um eine Drehachse 51, die
durch die äußeren Hauptlager 4 bestimmt
ist, von denen aus die Kurbelwelle 1 vermessen worden ist.
Die Schalenspannfutter 43 passen sich an die beiden bestimmenden äußeren
Hauptlager 4 an. Das wird anhand der 4 bis 6 näher
erläutert.
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4 zeigt
den Werkstück-Spindelstock 26 und den Reitstock 27 der
ersten Schleifstation 22 mit einer eingespannten Kurbelwelle 1,
wie sie anhand der 1 und 2 schon
beschrieben worden ist. 5 ist eine vergrößerte
Ansicht entsprechend der Schnittlinie A-A in 4. Somit
zeigt 5 die Stirnansicht des Werkstück-Spindelstocks 26 mit
Einzelheiten des Schalenspannfutters 43. 6 ist
der zur 5 gehörende Längsschnitt
und somit eine vergrößerte Teildarstellung aus 4.
Wegen der vergrößerten Darstellung konnte dabei
das flanschseitige Ende der Kurbelwelle 4 mit weiteren
Einzelheiten dargestellt werden, als sie aus den 1 und 4 hervorgehen.
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Die
wesentlichen Merkmale des Schalenspannfutters 43 sind eine
Auflageschale 44 und zwei schwenkbare Spannbacken 47.
Die Auflageschale 44 und die schwenkbaren Spannbacken 47 sind sämtlich
mit einem rotierenden Teil des Werkstück-Spindelstocks 26 verbunden.
Die Auflageschale 44 weist zwei Vorsprünge 45 auf,
auf denen die Kurbelwelle 1 mit ihrem äußeren
Hauptlager 4 aufliegt. Auf der der Auflageschale 44 entgegengesetzten
Seite des Schalenspannfutters 43 sind die beiden schwenkbaren
Spannbacken 47 vorgesehen, die sich ebenfalls mit Vorsprüngen 47a gegen
das äußere Hauptlager 4 der Kurbelwelle 1 anlegen.
Mit 50 ist die in der Radialebene liegende Schwenkrichtung der
schwenkbaren Spannbacken 47 angedeutet.
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Lediglich
zum leichteren Verständnis der Funktion ist in 5 der
linke schwenkbare Spann backen 47 in seiner abgehobenen
Stellung und der rechte schwenkbare Spannbacken 47 in seiner Spannstellung
dargestellt. Im festgespannten Zustand liegt somit eine Einspannung
der Kurbelwellen 1 an vier getrennten Umfangsbereichen
von verhältnismäßig kleiner Umfangserstreckung
vor, so dass von einer Vier-Punkt-Einspannung gesprochen werden
kann.
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Axial
versetzt zu der Auflageschale 44 ist ein beweglicher Aushebestempel 48 vorgesehen,
welcher die Entnahme der Kurbelwelle 1 aus den Schalenspannfuttern 43 erleichtert.
Eine Hülse 49 ermöglicht einen Längsanschlag
zur exakten Festlegung der Kurbelwelle 1 auch in ihrer
axialen Richtung.
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Da
sich die vier Vorsprünge 45 und 47a an den
Umfang des äußeren Hauptlagers 4 anpassen, rotiert
die Kurbelwelle 1 beim Drehantrieb des Werkstück-Spindelstocks 26 und
des Reitstocks 27 nicht um ihre bestimmende geometrische
Längsachse 10, sondern um die Drehachse 51 des
Schalenspannfutters 43. Aus der 5 wird besonders
klar, dass der zu einer exzentrisch verlaufenden bestimmenden geometrischen
Längsachse 10 gehörende Mittelpunkt bei
der Rotation des Schalenspannfutters 43 eine Kreisbahn
um die Drehachse 51 des Schalenspannfutters 43 beschreibt.
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6 lässt
erkennen, dass die Vorsprünge 45 der Auflageschale 44 in
axialer Richtung verhältnismäßig schmal
sind und an ihrer das äußere Hauptlager 4 berührenden
Oberkante beispielsweise eine gewölbte Kontur 46 aufweisen.
Das gilt auch für die Ausbildung des Schalenspannfutters 43 auf
der Seite des Reitstocks 27, das im Prinzip übereinstimmend
mit dem Schalenspannfutter 43 am Werkstück-Spindelstock 26 ausgebildet
ist. Auch die Vorsprünge 47a an den schwenkbaren
Spannbacken 47 sind ähnlich wie die Vorsprünge 45 des
Schalenspannfutters 43 ausgebildet.
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Somit
wird die gesamte Kurbelwelle 1 in der ersten Schleifstation 22 an
acht Stellen eingespannt, die von geringer Umfangsausdehnung und
in axialer Richtung schmal sowie beispielsweise von gewölbter Kontur 46 sind.
Die Anordnung dieser acht Spannbereiche mit einer Unterteilung in
zwei voneinander im Abstand befindliche Gruppen bewirkt, dass die
Kurbelwelle 1 bei der Rotation in der ersten Schleifstation
kleinere Schrägstellungen einnehmen kann, wenn die Abweichung
der Drehachse 51 von der bestimmenden geometrischen Längsachse 10 in
den beiden äußeren Hauptlagern 4 unterschiedlich
ist. Eine leichtere Schrägstellung kann dann erfolgen,
ohne dass Zwängungen oder Spannungen in der Kurbelwelle 1 auftreten.
Die Einspannung mittels Schalenspannfuttern bewirkt ein steifes
Festspannen und einen sicheren Drehantrieb der Kurbelwelle, ohne
dass auf diese ein Axialdruck ausgeübt wird.
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In
der zweiten Schleifstation 23 der Schleifzelle 21 ist
eine andere Art der Aufspannung erforderlich, wenn das erfindungsgemäße
Verfahren durchgeführt werden soll. Die Kurbelwelle 1 muss
in der zweiten Schleifstation 23 zwischen Zentrierspitzen 52, 53 eingespannt
werden, wie das aus 7 hervorgeht. Jetzt werden die
Zentrierbohrung 8 am Flansch 6 und die Zentrierbohrung 9 am
Zapfen 7 ausgenutzt. An dem Werkstück-Spindelstock 36 befindet
sich die Zentrierspitze 52 und an dem Reitstock 37 die
Zentrierspitze 53.
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Die
zwischen den Zentrierspitzen 52, 53 eingespannte
Kurbelwelle 1 wird durch einen Antrieb mit Ausgleich-Spannfutter
zur Drehung angetrieben. Ein Beispiel für einen derartigen
Drehantrieb zeigt die 8. Hierbei sind zwischen Gehäuseteilen 54a bis 54e des
Werkstück-Spindelstocks 36 und gegebenenfalls
des Reitstocks 37 axial frei bewegliche Stellkolben 55 vorgesehen,
die über schwenkbar gelagerte Winkelhebel 56 auf
radial bewegliche Radialschieber 57 einwirken. Die Radialschieber 57 sind
mit Spannbacken 58 verschraubt, die auf eine Umfangsfläche
der Kurbelwelle 1 einwirken. Die Umfangsfläche
kann sich beispielsweise an einem Flansch 6 oder Zapfen 7 befinden.
In der zweiten Schleifstation 23 muss zunächst
die Kurbelwelle 1 von den Zentrierspitzen 52, 53 des
Werkstück-Spindelstocks 36 und des Reitstocks 37 aufgenommen
werden. Sodann werden die Spannbacken 58 an die verfügbare Umfangsfläche,
in diesem Fall an den kreisförmigen Umfang des Zapfens 7 herangefahren.
Dazu werden alle Stellkolben 55 von einer gemeinsamen Quelle mit
einem Druckmedium wie beispielsweise Hydrauliköl oder Druckluft
betätigt. Die Stellkolben 55 sind zwar für
sich einzeln beweglich, können sich über das Druckmedium
aber untereinander ausgleichen. Somit wird jeder Spannbacken 58 nur
so weit an den Zapfen 7 herangefahren, dass der erforderliche
Anpressdruck gewährleistet ist.
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Die
Rotationsachse des Werkstück-Spindelstocks 36 und
des Reitstocks 37 ist in der zweiten Schleifstation 23 daher
identisch mit der bestimmenden geometrischen Längsachse 10 der
Kurbelwelle 1, wie sie durch die Zentrierbohrungen 8 und 9 festgelegt
ist.
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Es
sei noch bemerkt, dass die Darstellung der Kurbelwelle 1 und
auch die räumliche Richtung von Werkstück-Spindelstock
oder Reitstock in den 7 und 8 teilweise
von der Darstellung in den vorangegangen Figuren abweicht; doch
wird dadurch die Erläuterung des Prinzips nicht beeinträchtigt.
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Im
Folgenden wird beschrieben, wie das erfindungsgemäße
Verfahren auf der vorstehend beschriebenen Anlage abläuft.
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Die
Flussrichtung 20 der Kurbelwellen 1 ist in 3 eingezeichnet.
Die Be- und Entladung der Messstation 13 und der Schleifzelle 21 erfolgt
mit einem Ladeportal. Die Kurbelwellen 1 werden also von außen
in die Messstation 13 eingeführt und nach Abschluss
des Messvorganges zunächst an die erste Schleifstation 22 übergeben,
in der die Hublager 5 fertiggeschliffen werden. Danach
erfolgt der Transport zu der zweiten Schleifstation 23,
in der die Hauptlager 3, 4 der Kurbelwelle 1 fertiggeschliffen werden.
Anschließend werden die fertiggeschliffenen Kurbelwellen 1 mit
demselben Ladeportal wieder aus der Schleifzelle 21 nach
außen entladen.
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Wenn
eine Kurbelwelle 1 der Messstation 13 zugeführt
wird, ist sie lediglich spanend bearbeitet, wobei die Haupt- und
Hublager 3, 4, 5 vorbearbeitet und erforderliche
Bohrungen eingebracht sind. Ferner sind auch schon die Zentrierbohrungen 8 und 9 vorhanden,
welche die bestimmende geometrische Längsachse 10 an
der Kurbelwelle 1 festlegen und kennzeichnen. Die inneren
und äußeren Hauptlager 3, 4 sind
in diesem Zustand der Kurbelwelle hinsichtlich des Durchmessers,
der Rundheit und der Zentrizität durch die Vorbereitung
noch fehlerbehaftet.
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In
der ersten Schleifstation 22 wird die Kurbelwelle 1 mit
Bereichen, die in der gemeinsamen Längserstreckung der
Hauptlager 3, 4 liegen, in den Schalenspannfuttern 43 des
Werkstück-Spindelstocks 26 und des Reitstocks 27 eingespannt.
In dem Ausführungsbeispiel erfolgt die Einspannung in den beiden äußeren
Hauptlagern 4. Durch den Drehantrieb rotiert die Kurbelwelle 1 um
die Drehachse 51, die durch die fehlerbehaftete Kontur
der beiden äußeren Hauptlager 4 definiert
ist. Ausgehend von dieser Rotation werden in der ersten Schleifstation 22 die
Hublager 5 der Kurbelwelle 1 in einem durchgehenden
Vorgang vor- und fertiggeschliffen. Die Abweichung der tatsächlichen
Drehachse 51 von der bestimmenden geometrischen Längsachse 10 der Kurbelwelle 1 wird
im Rechner der ersten Schleifstation 22 berücksichtigt.
Das Schleifen erfolgt im Pendelhub-Schleifverfahren. Indem bei jeder
Zustellbewegung eine Korrektur entsprechend der gespeicherten Vermessung
der Kurbelwelle 1 vorgenommen wird, erfolgt das Schleifen
der Hublager 5 im Ergebnis dennoch in strenger Zuordnung
zu der bestimmenden geometrischen Längsachse 10 der
Kurbelwelle 1. Die fertiggeschliffenen Hublager 5 haben dann
einen exakten Bezug zu Hauptlagern 3, 4 der Kurbelwelle 1,
die streng nach der bestimmenden geometrischen Längsachse 10 der
Kurbelwelle 1 geschliffen wären.
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Es
ist nicht zwingend, dass die Kurbelwelle 1 in der ersten
Schleifstation 22 an den äußeren Hauptlagern 4 eingespannt
ist. Je nach Bauart der Kurbelwelle können auch andere
Hauptlager 3 und ebenso Flansch 6 und Zapfen 7 zum
Vermessen und Einspannen herangezogen werden, weil diese zentrisch zu
den Hauptlagern 3, 4 angebracht sind. Beim Schleifen
der Hublager 5 in der ersten Schleifstation 22 ist
es nicht erforderlich, die Kurbelwelle 1 zusätzlich
durch Lünetten abzustützen.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Schleifen einer
Kurbelwelle 1 mit vier Hublagern 5 vorgesehen.
Bei dieser Bauart haben in der Regel je zwei Hublager 5 dieselbe
Phasenlage in Bezug auf die bestimmende geometrische Längsachse 10 der Kurbelwelle 1.
Es werden daher je zwei Hublager 5 gemeinsam geschliffen;
in der Regel sind das paarweise die inneren Hublager 5 und
die äußeren Hublager 5; es können
aber auch phasenverschobene Hublager gleichzeitig geschliffen werden.
Beim Übergang von Schleifen der inneren Hublager 5 auf
die äußeren Hublager 5 müssen
die beiden Schleifspindeln 30 auf dem Kreuzschlitten 29 auseinandergefahren
werden und umgekehrt.
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Die
in dem Ausführungsbeispiel gezeigte Anordnung der Schleifscheiben 30 in
der ersten Schleifstation 22 ist aber nicht zwingend. Wenn
es die Bauart der Kurbelwelle 1 erfordert, können
die Hublager 5 auch mit einer einzelnen Schleifscheibe
einzeln und nacheinander fertiggeschliffen werden.
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Das
Messen der Hublager 5 erfolgt während des Schleifens
mittels In-Prozess-Messköpfen, wobei die Durchmesser der
zu schleifenden Hublager 5 während des Schleifens
fortlaufend gemessen werden. Die Durchmesser- und Rundheitskorrektur
wird über den Messkopf als Messwert am zu schleifenden Hublager 5 aufgenommen
und über die Maschinensteuerung mit dem Sollwert verglichen.
Anschließend wird eine Maßkorrektur in Richtung
der Achse 33 (X-Achse) bei der Zustellbewegung ausgeführt.
Es ist auch möglich, eine Korrekturbewegung der zweiten Schleifspindel 30 in
Abhängigkeit von der Zustellbewegung der ersten Schleifspindel 30 auszuführen.
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Wichtig
ist es weiterhin, dass die am fertiggeschliffenen Hublager 5 entstandene
Rundheit der Lagerstelle nachgeprüft werden kann. Diese
kann in der ersten Schleifstation 22 ebenfalls gemessen
werden; beim Pendelhubschleifen wird dann eine entsprechend korrigierte
Bahn in Richtung der Achse 33 gesteuert, wodurch sich ein
optimal rundes Hublager 5 erreichen lässt.
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Wenn
alle Hublager 5 fertiggeschliffen sind, haben sich die
Spannungen und der Verzug durch den Schleifvorgang weitgehend abgebaut
und werden die Rundlaufgenauigkeit der Hauptlager 3, 4 nicht
mehr entscheidend beeinflussen. Die Kurbelwelle 1 wird
danach mittels des Ladeportals in die zweite Schleifstation 23 überführt.
Nunmehr kommen die Zentrierbohrungen 8 und 9 an
den Enden der Kurbelwelle 1 zum Einsatz, wie das in den 7 und 8 gezeigt
ist. Die Hauptlager 4 sind noch immer ungeschliffen. Bereiche
der Kurbelwelle 1, die in der gemeinsamen Längserstreckung
der Hauptlager 3, 4 liegen, werden jetzt für
den Drehantrieb benutzt. Die Spannbacken 58 legen sich
unterschiedlich weit an den Durchmesser dieser Bereiche der Kur belwelle an.
Die Rotation erfolgt aber streng um die bestimmende geometrische
Längsachse 10, die mit der Achsrichtung der beiden
Zentrierspitzen 52 und 53 übereinstimmt.
Die Kurbelwelle 1 wird in der zweiten Schleifstation 23 vorteilhaft
an zumindest einem Hauptlager 3 mit einer zentrierenden
Lünette abgestützt. Es können auch mehrere
zentrierende Lünetten zum Einsatz kommen. Ferner wird an
mehreren Hauptlagern 3, 4 der Durchmesser gemessen,
so dass die Kurbelwelle mittels einer so genannten In-Prozess-Messung
auf das gewünschte Sollmaß geschliffen wird. Die
Kurbelwelle 1 wird somit an ihren Hauptlagern 3, 4 so
lange bearbeitet, bis sie auf Fertigmaß geschliffen ist.
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In
dem gewählten Ausführungsbeispiel ist zum Schleifen
der Hauptlager ein Mehrfach-Schleifscheibensatz mit Schleifenscheiben 40 vorgesehen, so
dass mehrere Hauptlager 3, 4 gleichzeitig geschliffen
werden können. Beim Schleifen der Hauptlager 3, 4 wird
der Mehrfach-Schleifscheibensatz in Richtung der Achse 33 (X-Achse)
an die Hauptlager 3, 4 zugestellt. Der Mehrfach-Schleifscheibensatz
ist aber auf dem Kreuzschlitten 38 auch in Richtung der Achse 34 (Z-Achse)
parallel zur Richtung der gemeinsamen Längsachse 25 verfahrbar.
Diese Anordnung ermöglicht die Verwendung von Schleifscheiben,
die schmaler sind als die zu schleifenden Hauptlager 3, 4.
Ferner kann dadurch auch das Diamant-Abrichtrad zum Abrichten der
Schleifscheiben angefahren werden. Auch die Hauptlager 3, 4 werden in
einem einzigen Vorgang vor- und fertiggeschliffen. Durch die Verschiebung
in Richtung der Achse 34 lassen sich auch gezielt bestimmte
Partien der Hauptlager 3, 4 planseitig anschleifen.
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Das
Schleifen der Hublager 5 muss für das erfindungsgemäße
Verfahren in jedem Fall CNC-gesteuert erfolgen. Aber auch für
das Schleifen der Hublager 3, 4 ist eine CNC-Steuerung
in jedem Fall vorteilhaft.
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Die
Verwendung eines Mehrfach-Schleifscheibensatzes beim Schleifen der
Hauptlager 3, 4 ist gleichfalls nicht zwingend.
Wenn es der Typ der Kurbelwelle oder eine vorhandene Schleifmaschine erfordern,
können die Hauptlager ebenfalls einzeln und nacheinander
mit einer einzigen Schleifscheibe fertiggeschliffen werden.
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Wenn
die Kurbelwelle 1 die zweite Schleifstation 23 durchlaufen
hat, weisen auch die Hauptlager 3, 4 bestmögliche
Rundlaufwerte auf, da keine weitere Schleifbearbeitung an den Haupt-
und Hublagern 3, 4, 5 mehr stattfindet.
Mittels des Ladeportals wird die Kurbelwelle sodann in der Flussrichtung 20 aus
der Schleifzelle 21 abtransportiert.
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Die
in dem Ausführungsbeispiel gezeigte Anlage mit einer Kombination
aus Messstation 13 und Schleifzelle 21 ist eine
besonders wirtschaftliche Möglichkeit, das erfindungsgemäße
Verfahren in der Massenproduktion durchzuführen. Wenn die
Umstände es erfordern, können das Messen und die
verschiedenen Schleifvorgänge aber auch an getrennten Stellen
und auf getrennten Einrichtungen oder Schleifmaschinen durchgeführt
werden.
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Wange
- 3
- innere
Hauptlager
- 4
- äußere
Hauptlager
- 5
- Hublager
- 6
- Flansch
- 7
- Zapfen
- 8
- Zentrierbohrung
(Flansch)
- 9
- Zentrierbohrung
(Zapfen)
- 10
- bestimmende
geometrische Längsachse
- 11
- erste
Messstelle
- 12
- zweite
Messstelle
- 13
- Messstation
- 14
- Konus-Messstelle
(Flansch)
- 15
- Konus-Messstelle
(Zapfen)
- 16
- Referenzbohrung
- 17
- Blickrichtung
- 18
- Befestigungsbohrung
- 19
- Achsrichtung
- 20
- Flussrichtung
(Transportrichtung der Kurbelwellen)
- 21
- Schleifzelle
- 22
- erste
Schleifstation
- 23
- zweite
Schleifstation
- 24
- gemeinsames
Maschinenbett
- 25
- Maschinentisch
- 26
- Werkstück-Spindelstock
- 27
- Reitstock
- 28
- Kreuzschlitten
- 29
- Schleifspindelstock
- 30
- Schleifspindel
- 31
- Schleifscheibe
- 32
- gemeinsame
Längsachse
- 33
- Zustellrichtung
der Schleifscheiben
- 34
- Richtung
- 36
- Werkstück-Spindelstock
- 37
- Reitstock
- 38
- Kreuzschlitten
- 39
- gemeinsame
Achse
- 40
- Schleifscheiben
- 41
- Antriebsmotor
- 42
- Abdeckung
- 43
- Schalenspannfutter
- 44
- Auflageschale
- 45
- Vorsprung
- 46
- gewölbte
Kontur
- 47
- schwenkbare
Spannbacken
- 47a
- Vorsprung
- 48
- Aushebestempel
- 49
- Hülse
- 50
- Schwenkrichtung
- 51
- Achse,
bestimmt durch die beiden äußeren Hauptlager
- 52
- Spitze
des Werkstück-Spindelstocks
- 53
- Spitze
des Reitstocks
- 54a
bis 54e
- Gehäuseteile
- 55
- Stellkolben
- 56
- Winkelhebel
- 57
- Radialschieber
- 58
- Spannbacken
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1181132
B1 [0002, 0003, 0005]