DE19749939C2 - Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken - Google Patents
Verfahren zur Bearbeitung von WerkstückenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit
zentrischen, rotationssymmetrischen und exzentrischen Flächen sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Bearbeitung der rohen, also geschmiedeten oder gegossenen, aus Stahl oder
Guß bestehenden, Kurbelwelle, erfolgt heute in der Regel durch die bekannten
spanenden Bearbeitungsverfahren. Da der häufigste Anwendungsfall für
Kurbelwellen die in einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges ist, werden
derartige Kurbelwellen in der Regel in sehr großen Stückzahlen hergestellt,
weshalb meist bei der Auswahl des Bearbeitungsverfahrens und der hierfür
gewählten Maschinenausstattung dasjenige Verfahren gewählt wird, welches die
kürzestmögliche Bearbeitungszeit pro Kurbelwelle erwarten läßt.
Nach heutigem Standard bedeutet dies in der Regel, daß die Mittellager der
Kurbelwelle mittels Drehräumen bzw. Dreh-Drehräumen, beispielsweise gemäß
DE 35 23 274 C2 oder EP 0211 216 B1 bearbeitet werden, während die Hublager
und ggf. auch die Wangenstirnflächen mittels Außenfräsen, insbesondere
Hochgeschwindigkeits-Außenfräsen, beispielsweise gemäß DE 196 26 627 C1
bearbeitet werden oder mittels Innenfräsen (Wirbeln), oder mittels Drehfräsen,
z. B. gemäß DE 44 46 475 A1.
Alternativ zum Außenfräsen kann auch das sogenannte Drehfräsen eingesetzt
werden. U. U. findet die jeweilige spanende Bearbeitung im bereits gehärteten
Zustand des Werkstückes statt. Dabei soll unter den eben verwendeten Begriffen
folgendes verstanden werden:
Auf dem Umfang eines scheibenförmigen Werkzeuges sind in Umfangsrichtung
beabstandet Drehräumschneiden angeordnet, deren Abstand zur Mitte des
drehbaren scheibenförmigen Werkzeuges zunimmt. Dieses scheibenförmige
Werkzeug dreht mit seiner Achse parallel neben der Achse der Kurbelwelle, und
durch Entlangschwenken der Drehräumschneiden am Umfang der wesentlich
schneller drehenden Kurbelwelle (ca. 1.000 U/min) wird Material an der
Umfangsfläche abgenommen. Falls die Drehräumschneiden zur Mitte des
Werkzeuges alle den gleichen Abstand besitzen, muß zwischen den
Werkzeugschneiden eine Zustellung radial zur Kurbelwelle, in X-Richtung,
erfolgen. Diese Vorgänge können auf mehrere Schneiden verteilt werden, bzw.
durch Schwesterwerkzeuge ergänzt werden.
Dabei handelt es sich um das vorbeschriebene Drehräumen, wobei diesem ein
Einstech-Drehvorgang vorgeschaltet ist, welcher mittels einer Schneide
durchgeführt wird, die ebenfalls auf dem Umfang des scheibenförmigen
Werkzeugs angeordnet ist. Das Einstechdrehen wird durchgeführt, indem sich das
scheibenförmige Werkzeug während des Eingriffs der Schneide nicht dreht,
sondern lediglich radial gegen das Werkstück vorwärts bewegt wird.
Auch hier sind die Schneiden auf dem Umfang eines scheibenförmigen
Werkzeuges angeordnet, welches drehend antreibbar ist mit einer Achse parallel
zur Achse des Werkstückes. Die Schnittgeschwindigkeit resultiert jedoch primär
aus der Drehung des Werkzeuges, während sich das Werkstück nur mit ca. 10 U/min
so lange dreht, bis ein mindestens vollständiger Umlauf des Werkzeuges
um die zu bearbeitende rotationssymmetrische Fläche des Werkstückes vollzogen
ist.
Vor allem bei großen Aufmaßen sind mehrere Umläufe des Werkzeuges
notwendig, und selbst wenn aufgrund des Aufmaßes ein einziger Durchgang
ausreichend erscheint, ist oft wegen des tangentialen Ein- und Ausfahrens des
Werkzeuges mehr als ein vollständiger Umlauf notwendig.
Das scheibenförmige Werkzeug ist über den gesamten Umfang mit Fräszähnen
besetzt.
Der Abstand der Schneiden in Umfangsrichtung zueinander kann ggf. kleiner sein
als beim Drehräumen bzw. Dreh-Drehräumen, bei welchem meist beabsichtigt ist,
die Bearbeitung mit der einen Schneide zu beenden, bevor die nächste Schneide
in Eingriff gerät.
In der Regel wird es sich dabei um eine Kreisscheibe handeln. Theoretisch sind
jedoch auch nicht kreisförmige Scheiben, z. B. Ellipsen etc., verwendbar.
Vorzugsweise weisen die Scheiben jedoch immer nur konvex nach außen
gekrümmte Umfangskonturen und dabei insbesondere keine harten Absätze in
der Umfangskontur auf. Falls Kavitäten in der Umfangskontur vorhanden sind,
sind diese nicht mit Schneiden besetzt.
Im Gegensatz zum Außenfräsen wird das Drehfräsen mit einem meist
fingerförmigen Fräser betrieben, dessen Drehachse orthogonal zur
Rotationsachse des zu bearbeitenden Werkstückes steht.
Mit der einen oder den mehreren stirnseitigen Schneiden eines solchen
Fingerfräsers werden die Umfangsflächen bearbeitet, und mit den auf den Mantel
des Fingerfräsers angeordneten Schneiden die Stirnflächen des Werkstückes.
Darunter wird Fräsen mit einer Schnittgeschwindigkeit von z. B. bei Stahl: über
130 m/min. insbesondere über 180 m/min. bei Guß: über 150 m/min.
insbesondere über 200 m/min. bei ALU über 300 m/min. insbesondere über 500 m/min
verstanden. Unterstützt werden derartige Schnittgeschwindigkeiten vor
allem durch eine positive Schneidengeometrie und die entsprechende
Schneidstoffwahl.
Durch diese hohe Schnittgeschwindigkeit werden die beim Fräsen immanenten
Nachteile des unterbrochenen Schnittes so stark minimiert, daß die Vorteile
überwiegen.
Dabei wurden bisher die Bearbeitungen Drehen/Drehräumen/Dreh-Drehräumen
einerseits sowie die Bearbeitung durch Außenfräsen oder Drehfräsen, also
allgemein das Fräsen, andererseits nicht kombiniert zum Einsatz gebracht, da
dies aufgrund der völlig anderen notwendigen Drehzahlbereiche für das
Werkstück als unsinnig betrachtet wurde. Während beim Drehen/Drehräumen/
Dreh-Drehräumen die Schnittgeschwindigkeit primär aus der Drehzahl des
Werkstückes, die bei ca. 1.000 U/min für eine Pkw-Kurbelwelle liegt, erzielt wurde,
und das scheibenförmige Werkzeug nur mit einer Geschwindigkeit von weniger
als 30 U/min eingeschwenkt bzw. gedreht wurde, ist dies beim
Außenfräsen/Drehfräsen, insbesondere beim Hochgeschwindigkeitsfräsen mit
diesen Verfahren, etwa diametral umgekehrt.
Entsprechend liegen auch die bei solchen Bearbeitungen auftretenden Probleme
auf völlig unterschiedlichen Gebieten:
Beim Drehen/Drehräumen/Dreh-Drehräumen ist allein schon aufgrund der hohen Drehzahl des Werkstückes eine Realisierung der C-Achse (Drehlagen überwachung des Werkstückes) nicht notwendig, da eine davon abhängige koordinierte Nachführung des Werkzeuges in X-Richtung ohnehin in dieser Geschwindigkeit nicht möglich ist.
Beim Drehen/Drehräumen/Dreh-Drehräumen ist allein schon aufgrund der hohen Drehzahl des Werkstückes eine Realisierung der C-Achse (Drehlagen überwachung des Werkstückes) nicht notwendig, da eine davon abhängige koordinierte Nachführung des Werkzeuges in X-Richtung ohnehin in dieser Geschwindigkeit nicht möglich ist.
Die Hauptschwierigkeiten aufgrund der hohen Drehzahlen liegen also im Bereich
der Spannkraft, des Unwuchtausgleichs etc.
Beim Außenfräsen/Drehfräsen dagegen ist - da hiermit unter anderem die
Hublager bearbeitet werden sollen - eine Realisierung der C-Achse unbedingt
notwendig. Die Probleme liegen in der ausreichend steifen Spannung bzw.
Abstützung des Werkstückes sowie in der - nur einseitigen - stabilen und exakten
Einspannung des großen, schweren Werkzeuges. Insbesondere bei hohen
Genauigkeiten besteht das Problem des guten Laufes und Wuchtzustandes des
Werkzeuges und der Werkzeugachse.
Die EP 0 720 883 A1 offenbart ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung
beispielsweise von Kurbelwellen. Dabei wird bei dem dort vorgesehenen Drehen,
Drehräumen oder Dreh-Drehräumen definitionsgemäß die Schnittgeschwindigkeit
primär durch die Drehung des Werkstücks und bei dem beschriebenen
Drehfräsen durch die Drehung des Werkzeugs erzeugt.
Die DE 41 23 859 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Kurbelwellen
mit einem Futter zum beidseitigen Einspannen der Kurbelwelle mit Backen und
Spitzen.
Die DE 43 29 610 A1 offenbart ein Bearbeitungszentrum für Kurbelwellen, wobei
der Endflansch und der Endzapfen innerhalb des gleichen Arbeitsprozesses
bearbeitet werden und dabei die zu bearbeitende Kurbelwelle in der Mitte über
einen Setzstock an einem bereits bearbeiteten Mittellager abgestützt wird.
Die DE 32 46 790 C2 offenbart eine Kurbelwellen-Härtevorrichtung, bei der das
Härten der Kurbelwelle ohne Entfernen des Werkstücks aus der Vorrichtung für
die spanende Bearbeitung der Kurbelwelle erfolgt.
Es ist daher die Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie
eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit rotationssymmetrischen,
auch exzentrischen, Flächen, insbesondere von Kurbelwellen, zu schaffen, durch
die eine Minimierung der Rüst- und Nebenzeiten erreicht wird, insbesondere ein
Umspannen des Werkstückes auf eine andere Maschine vermieden wird, und
sowohl große Losgrößen als auch kleine Stückzahlen wirtschaftlich bearbeitet
werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 14 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Indem zwei prinzipiell unterschiedliche Verfahren - was die Bewirkung der
Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück betrifft - am
Werkstück zum Einsatz gebracht werden, kann für die jeweilige Arbeitsstelle und
damit in der Summe über das Werkstück betrachtet die sowohl technisch als auch
wirtschaftlich günstigste Bearbeitungsart gewählt werden. Werden die beiden
Verfahren auf ein und derselben Maschine angewandt, entfallen erhebliche Rüst-
und Nebenzeiten für das Umsetzen des Werkstückes auf eine andere Maschine,
sowie die durch das Umspannen bedingten Bearbeitungsungenauigkeiten.
Vorzugsweise wird dabei das Werkstück auch innerhalb der Maschine nicht
vollständig ausgespannt und neu eingespannt, sondern wenn möglich nur auf
einer Seite der Kurbelwelle die Spannung kurzzeitig aufgehoben.
Auf diese Art und Weise ist die Bearbeitung der Mittellager durch Drehräumen
bzw. Dreh-Drehräumen möglich, und selbstverständlich auch durch einfaches
Drehen, während die Hublagerzapfen - unter Umständen in der gleichen
Aufspannung - mittels Außenfräsen oder Drehfräsen bearbeitet werden können,
und ebenso die Wangenstirnflächen.
Wenn zusätzlich die Möglichkeit besteht, die Kurbelwelle zwischen Spitzen
aufzunehmen und das zur Bearbeitung notwendige Drehmoment zu erbringen,
können innerhalb der gleichen Maschine und vorzugsweise mittels Drehen oder
Drehräumen oder Dreh-Drehräumen zuerst auch der Endflansch und der
Endzapfen der Kurbelwelle bearbeitet werden, um an diesen dann bearbeiteten
Flächen eine Spannung mittels Spannbacken am Umfang vornehmen zu können.
Hierfür eignen sich insbesondere solche Spannfutter, bei welchen sich die am
Umfang des Werkstückes greifenden Spannbacken relativ zur im Zentrum
geführten Spitze, einer Reitstockspitze, axial vorschieben und zurückziehen
lassen, um somit einen Übergang von der Aufnahme zwischen Spitzen zur
Spannung am Umfang mittels Backen, und sogar Mischformen aus beiden
Aufnahmemöglichkeiten, realisieren zu können.
Vorzugsweise sind die Werkzeugeinheiten auch in Y-Richtung verfahrbar, und
ggf. auch um diese Achse, die B-Achse, drehbar, wobei auch zusätzliche Bohr-
und Fräseinheiten auf einem Werkzeugsupport vorhanden sein können.
Eine entsprechende Maschine verfügt zu diesem Zweck vorzugsweise über
Spannfutter, die sowohl über Spannspitzen als auch über Spannbacken verfügen,
und bei denen die Spannspitzen gegenüber den Spannbacken in axialer Richtung
(Z-Richtung) so verlagerbar sind, daß bei Spannung zwischen Spitzen die dann
zurückgezogenen Spannbacken die Bearbeitung am Umfang von Endzapfen und
Endflansch nicht behindern.
Eine derartige Maschine wird vorzugsweise zwei Bearbeitungseinheiten
aufweisen, von denen die eine das Bearbeitungsverfahren Drehen oder
Drehräumen oder Dreh-Drehräumen oder eine Kombination hieraus ermöglicht,
während die andere das Außenfräsen oder Drehfräsen, insbesondere unter
Hochgeschwindigkeit, ermöglicht. Diese mindestens zwei Bearbeitungseinheiten
werden insbesondere auch auf separaten und auch separat ansteuerbaren
Supporten angeordnet sein, die wenigstens in X-Richtung, vorzugsweise auch in
Y-Richtung verlagerbar sind, und ggf. um die B-Achse drehbar.
Die Bearbeitungseinheiten können von der gleichen Seite des Werkstückes
angeordnet sein, oder auch auf gegenüberliegenden Seiten, oder im Winkel
relativ zueinander. Zusätzlich müssen die Werkzeugeinheiten auch in Z-Richtung
entlang des Werkstückes verfahrbar sein, um ihre Bearbeitung an
unterschiedlichen Axialpositionen des Werkstückes vollziehen zu können.
Zusätzlich oder auch anstelle einer der Bearbeitungseinheiten kann eine nicht
spanende Bearbeitungseinheit vorgesehen sein. Dies könnte eine
Wasserstrahlschneidvorrichtung, eine Laserschneidvorrichtung oder eine
Einrichtung zur Wärmebehandlung, insbesondere eine Laserhärtevorrichtung
sein. Auch eine solche nicht spanende Bearbeitungseinheit ist vorzugsweise in Z-
Richtung verfahrbar, ggf. auch in X- und in Y-Richtung.
Eine Bewegung in X-Richtung ist jedoch je nach Bearbeitungsverfahren nicht
unbedingt notwendig, da statt einer Veränderung des radialen Abstandes
zwischen Werkzeugeinheit und Werkstück z. B. bei einem Laser lediglich die
Fokussierung nachgeführt werden muß und analoges auch beim
Wasserstrahlschneiden möglich ist.
Insgesamt ergibt die vorhandene Kombination an Bearbeitungsverfahren bzw.
Bearbeitungseinheiten die Möglichkeit, auch sehr kleine Losgrößen und sogar
Einzelstücke einer bestimmten Kurbelwelle unter noch vertretbarem
wirtschaftlichem Aufwand herzustellen, wobei es unwesentlich ist, daß die
Bearbeitungszeit in diesem Fall ein Mehrfaches der Bearbeitungszeit bei
Großserienherstellung von Kurbelwellen beträgt.
In diesem Zusammenhang ist auch das Härten in der Maschine z. B. mittels
Laserstrahl, insbesondere der Lagerflächen, zu sehen, da auf diese Art und
Weise vor allem das Ausspannen, Durchlaufen eines separaten Härteprozesses
und neu Einspannen der Kurbelwelle in einer anderen Maschine vermieden wird,
in der dann die Nachbearbeitung nach dem Härten, insbesondere das Schleifen,
vollzogen wird. Zusätzlich erfolgt das Härten nur an den tatsächlich benötigten
Stellen, wodurch auch der auftretende Wärmeverzug der Kurbelwelle minimiert
bzw. gezielt gesteuert werden kann, indem bestimmte Bereiche der Kurbelwelle in
einer bestimmten Art und Weise hinsichtlich Höhe, zeitlicher Reihenfolge und
zeitlichem Verlauf der Erwärmung und Abkühlung unterworfen werden.
Ein weiterer Vorteil des Härtens, z. B. mittels Laserstrahl, innerhalb der Maschine
liegt darin, daß sogar während der für das Härten erforderlichen Erwärmung von
Bereichen der Kurbelwelle mittels Laserstrahl in diesen erwärmten Bereichen eine
spanende Bearbeitung mittels eines der vorgenannten Verfahren möglich ist, was
die bei der spanenden Bearbeitung auftretenden Kräfte drastisch reduziert. Dabei
kann die spanende Bearbeitung auch in der Abkühlungszeit stattfinden bzw. sich
in diese hineinerstrecken, so daß während der zeitgleichen Abkühlung und damit
dem Auftreten des Wärmeverzuges und der spanenden Bearbeitung der im
Endeffekt zurückbleibende Wärmeverzug minimal gehalten werden kann.
Um die extrem unterschiedlichen Drehzahlen des bzw. der Spindelstöcke zum
Antrieb des Werkstückes, wie sie bei den beiden Verfahrensgruppen notwendig
sind, realisieren zu können, weisen diese Antriebe beispielsweise neben
Motorspindel bzw. Motor ggf. ein schaltbares bzw. ein zuschaltbares
Zwischengetriebe auf, welches einen Übersetzungsgrad bzw. Untersetzungsgrad
in der Größenordnung von 1 : 100 aufweisen muß. Gekoppelt mit dem schaltbaren
Zwischengetriebe könnte auch die Realisierung der C-Achse am Spindelstock
sein, welche lediglich in der langsameren Betriebsart vorhanden sein muß.
Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden anhand der Figuren
beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Maschine zur spanenden Bearbeitung durch zwei
Bearbeitungseinheiten in der Frontansicht (1a) sowie in der
Seitenansicht (1b),
Fig. 2 eine ähnliche Maschine in der Seitenansicht,
Fig. 3 eine Abwandlung der Maschine gemäß Fig. 1a in der Seitenansicht,
Fig. 4 eine Seitenansicht einer gegenüber Fig. 2 abgewandelten Maschine,
Fig. 5 eine andere Abwandlung der Seitenansicht der in Fig. 2
dargestellten Maschine, sowie
Fig. 6 eine Seitenansicht einer weiteren Maschinenform.
Die Fig. 1a und 1b zeigen eine Vorrichtung zum spanenden Bearbeiten einer
Kurbelwelle KW in der Frontansicht sowie in der Seitenansicht, also in
Blickrichtung der Längsachse 10 der Kurbelwelle KW.
In der Frontansicht der Fig. 1a ist das Bett 3 der Maschine zu erkennen, auf
welchem die beiden Spindelstöcke 4, 5 angeordnet sind, von denen der eine
Spindelstock 5 in der axialen, Z-Richtung verfahrbar ist, um ein Einlegen und
Entnehmen der Kurbelwelle KW zu ermöglichen.
Die Kurbelwelle KW ist an den beiden Enden jeweils in einem Futter 6a, 6b
gespannt, welches auf einem der Spindelstöcke 4, 5 sitzt und von diesem drehend
angetrieben wird. Die Spindelstöcke 4, 5 sind entweder elektronisch oder
mechanisch synchronisiert, oder anstelle des einen Spindelstockes 5 ist lediglich
ein frei mitlaufender Reitstock ohne eigenen Antrieb vorhanden.
Entlang einer Z-Führung 33 sind parallel zum Werkstück zwei oder mehrere
Werkzeugsupporte 1, 2 entlang des Bettes 3 verfahrbar, welche jeweils ein oder
mehrere Werkzeuge tragen. Dabei handelt es sich in einem Fall um einen
scheibenförmigen Außenfräser 11, im anderen Fall um ein scheibenförmiges
Drehräumwerkzeug 14 bzw. Dreh-Drehräumwerkzeug 15. Die scheibenförmigen
Werkzeuge sind jeweils drehend um eine C2-Achse parallel zur Z-Richtung
antreibbar bzw. schwenkbar, und sind auf einen in X-Richtung, also radial quer zur
Kurbelwelle verfahrbaren X-Schlitten 35 angeordnet, welche auf dem
Werkzeugsupport 1, 2 angeordnet ist.
Eine zusätzliche Verfahrbarkeit des Fingerfräsers 12 in Y-Richtung, wie z. B. in
Fig. 4 dargestellt, erschließt weitere Bearbeitungsmöglichkeiten.
Wie der Seitenansicht der Fig. 1b zu entnehmen, kann es sich dabei um eine
Schrägbettmaschine handeln, bei der also die Z-Führung etwa auf der Höhe der
Längsachse 10 angeordnet ist, und der X-Schlitten 35 schräg von oben her gegen
das in Fig. 1b nicht dargestellte Werkstück, also die Längsachse 10, bewegbar ist.
Während bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1b die beiden Werkzeugsupporte
1, 2 in Blickrichtung der Fig. 1b hintereinander angeordnet sind, zeigt Fig. 2 die
Seitenansicht einer Bauform, in der das Bett 3 symmetrisch aufgebaut ist, und die
beiden Werkzeugsupporte 1, 2 V-förmig so angeordnet sind, daß ihre X-
Schlitten 35, 35' unter einem vorzugsweise spitzen Winkel zueinander verfahrbar
gegen die Längsachse 10 der Maschine sind.
In der Frontansicht der Fig. 1a sind das Drehfräswerkzeug 11 und das
Drehräumwerkzeug 14 im gleichzeitigen Einsatz dargestellt, was in der Praxis der
eher seltene Fall sein dürfte.
Mittels des Drehfräswerkzeuges 11 werden wie ersichtlich vorzugsweise die
Hublagerzapfen 16 bearbeitet. Das Drehfräswerkzeug 11 muß also einen solchen
Durchmesser besitzen und über seinen ihn tragenden X-Schlitten 35 radial, in X-
Richtung, so weit vorstehen, daß die Bearbeitung der Hublager trotz der von der
Längsachse 10 weiter abstrebenden Wangen kollisionsfrei möglich ist. Auch die
Wangenstirnflächen und ggf Wangenumfangsflächen werden vorzugsweise
mittels des Drehfräsers 11 bearbeitet.
Die Kurbelwelle KW steht dabei still (vorzugsweise beim nur radialen Eintauchen
des Drehfräswerkzeuges 11) bzw. dreht sich langsam (beim tangentialen
Eintauchen) um mindestens eine volle Umdrehung, bis der Hublagerzapfen 16,
ggf. einschließlich seiner Spiegelflächen und der angrenzenden
Wangenstirnflächen - fertig bearbeitet ist. Dabei ist teilweise die Kenntnis der
Drehlage der Kurbelwelle KW notwendig, also eine gesteuerte C1-Achse des
Spindelstockes bzw. der Spindelstöcke 4, 5 sowie eine definierte Drehlage der
Kurbelwelle KW bezüglich der Futter 6a, 6b.
Im Gegensatz dazu bearbeitet das Drehräumwerkzeug 14 bzw. Dreh-
Drehräumwerkzeug 15 die Mittellager 17a, 17b, ggf. ebenfalls einschließlich der
Ölbünde, Spiegelflächen etc. Dabei wird die Kurbelwelle KW sehr schnell drehend
angetrieben, ohne daß die genaue Drehlage bekannt sein muß, während das
Drehräumwerkzeug 14 bzw. 15 relativ langsam parallel zur Kurbelwelle KW rotiert
bzw. verschwenkt wird, oder sich überhaupt nicht dreht, während lediglich mit
einer Schneide des Werkzeuges eine Einstech-Drehbearbeitung vorgenommen
wird. Eine Maschinensteuerung 36 koordiniert die Z- und X-Bewegung der
Werkzeuge, die Drehbewegungen bzw. Schwenkbewegungen der Werkzeuge
und ggf. die Drehzahl bzw. ggf. auch die Winkelstellung der Kurbelwelle KW.
Um mit einer solchen Maschine eine rohe Kurbelwelle KW möglichst in einer
Aufspannung fertigbearbeiten zu können, also auch den Endflansch 21 und den
Endzapfen 22 mitbearbeiten zu können, sind spezielle Futter 6a, 6b verwendet,
wie in der Detailvergrößerung der Fig. 1a dargestellt:
Diese Futter können einerseits über jeweils eine zentrale Spitze 8 verfügen, mit deren Hilfe in bekannter Weise das Werkstück durch Eingreifen in eine stirnseitige Zentrierbohrung in Spitzen gespannt werden kann.
Diese Futter können einerseits über jeweils eine zentrale Spitze 8 verfügen, mit deren Hilfe in bekannter Weise das Werkstück durch Eingreifen in eine stirnseitige Zentrierbohrung in Spitzen gespannt werden kann.
Darüber hinaus verfügt dieses Futter über insbesondere rückziehbare Backen 7,
die schwimmend oder zentrierend das Werkstück an einem Außenumfang
spannen.
Für das Bearbeiten der rohen, geschmiedeten oder gegossenen Kurbelwelle KW,
die lediglich als Vorbearbeitung die genannten Zentrierbohrungen aufweist, wird
die Kurbelwelle KW zunächst an den Enden zwischen den Spitzen 8
aufgenommen und Drehmoment aufgebracht, und in dieser Aufspannung z. B.
eines der in der Längsmitte befindlichen Mittellager, z. B. 17b, mittels Drehen,
Drehräumen oder Dreh-Drehräumen am Umfang bearbeitet. Diese erste
bearbeitete Stelle dient dann zum Ansetzen einer Stützvorrichtung, Linette oder
Ähnlichem, über welche auch der Drehantrieb der Kurbelwelle KW erfolgen kann
(nicht dargestellt). Mit dieser Abstützung/Antrieb ist es nunmehr möglich, mit den
vorhandenen Werkzeugen den Endflansch 21 sowie den Endzapfen 22 am
Umfang und ggf. auch an der außenliegenden Stirnfläche bis in die Nähe der
Zentrierbohrung zu bearbeiten. Anschließend kann die Kurbelwelle KW an diesen
bearbeiteten Umfangsflächen von Endflansch 21 und Endzapfen 22 mittels der
Spannbacken 7 gespannt und die Kurbelwelle KW an allen anderen gewünschten
Stellen bearbeitet werden.
Zu diesem Zweck greifen vorzugsweise die Backen 7 schwimmend oder
zentrierend am Umfang von Endflansch 21 bzw. Endzapfen 22, ohne daß vorher
oder gleichzeitig die Spannung zwischen den Spitzen 8 aufgegeben wird, um
keine Positionierfehler der Kurbelwelle KW gegenüber den Spannfuttern 6a, 6b zu
bewirken.
Um dies zu ermöglichen, sind die Backen 7 in axialer Z-Richtung relativ zu den
Spitzen 8 verlagerbar und vor allem soweit gegenüber den Spitzen 8
zurückziehbar, daß keine Kollision bei der Bearbeitung der Enden der Kurbelwelle
KW auftreten kann.
Fig. 3 zeigt demgegenüber eine Bauform einer Maschine in der Seitenansicht, bei
der auf einem einzigen, in Z-Richtung verfahrbaren Werkzeugsupport 1 zwei
scheibenförmige Werkzeuge, nämlich einerseits ein Außenfräswerkzeug 11 und
andererseits ein Drehräumwerkzeug 14, auf einem Schwenkträger 37 angeordnet
sind, welcher wiederum auf dem X-Schlitten 35 positioniert ist. Ausgehend von der
Überlegung, daß unter völlig unterschiedlichen notwendigen Drehzahlen des
Werkstückes beim Außenfräsen bzw. Drehfräsen einerseits und beim Drehen
bzw. Drehräumen bzw. Dreh-Drehräumen andererseits können die beiden
Werkzeuge in der Regel nicht gleichzeitig am Werkstück zum Einsatz kommen, so
daß die Anordnung auf einem gemeinsamen Werkzeugsupport den Aufbau eines
zweiten Supportes erspart bzw. Platz für weitere Bearbeitungseinheiten schafft.
Auch in diesem Fall ist der X-Schlitten 35 schräg von oben nach unten gegen das
Werkstück verfahrbar, und das Werkstück befindet sich über einer Spänewanne,
die im Maschinenbett 3 ausgebildet ist.
Fig. 4 zeigt eine Lösung ähnlich Fig. 2, wobei jedoch das Außenfräswerkzeug 11
durch einen Fingerfräser 12 ersetzt ist. Dieser ist in der Regel auf dem X-Schlitten
35 nicht drehbar, sondern lediglich schwenkbar um eine parallel zur Y-Achse 10
angeordnete C2-Achse verschwenkbar, um eine Nachführung der Stirnfläche des
fingerförmigen Fingerfräsers 12, an welchem die einzige stirnseitige Schneide
dargestellt ist, mit den Hublagerzapfen 16 der rotierenden Kurbelwelle KW zu
ermöglichen.
Alternativ dazu ist es auch möglich, das Werkzeug, also beispielsweise den
Fingerfräser 12, anstatt des Verschwenkens auch in der zweiten Querrichtung zur
Werkstücklängsachse, der Y-Richtung, beweglich am Werkzeugsupport
anzuordnen, und eine gesteuerte Überlagerung der X- und Y-Bewegung in der
Nachführung bezüglich des zu bearbeitenden Werkstückes zu erzielen.
Der fingerförmige Fingerfräser 12 bearbeitet mit seinen stirnseitigen Schneiden
eine Umfangsfläche des Werkstückes. Bei Verwendung nur einer einzigen radial
von der Mitte des Fingerfräsers nach außen laufenden stirnseitigen Schneide
ergeben sich besonders gute Oberflächen am bearbeiteten Werkstück.
Die meist spiralförmigen Schneiden auf der Mantelfläche des Fingerfräsers dienen
der Bearbeitung von Stirnflächen am Werkstück, also beispielsweise von
Wangenstirnflächen.
Fig. 5 zeigt eine Maschine in der Seitenansicht, die von ihrem Aufbau dem Aufbau
in der Fig. 2 bzw. 4 entspricht. Auf dem Werkzeugsupport 1 ist jedoch anstelle
eines spanenden Werkzeuges eine nichtspanende Bearbeitungseinheit
angeordnet, welche wiederum gegenüber dem Werkzeugsupport, insbesondere
deren X-Schlitten 35, entweder um eine in Z-Richtung verlaufende Achse
schwenkbar oder zusätzlich in Y-Richtung gesteuert verlagerbar ist.
Bei einer solchen nichtspanenden Bearbeitungseinheit kann es sich
beispielsweise um eine Laserschneideinheit, eine Laserhärteeinheit oder um eine
Wasserstrahlschneideinheit handeln, weshalb symbolisch ein austretender Strahl
38 eingezeichnet ist. Bei ausreichender Bündelung des Strahles kann die
nichtspanende Bearbeitungseinheit 34 während der Arbeit am Werkstück soweit
von diesem entfernt sein, daß es möglich ist, selbst bei der V-förmigen Anordnung
der Werkzeugsupporte 1 und 2, wie in Fig. 5 dargestellt, an der gleichen
Bearbeitungsstelle das Werkzeug, beispielsweise ein Drehräumwerkzeug 14, des
anderen Supportes 2 zum Einsatz zu bringen, ohne daß Kollisionen zu befürchten
sind.
Demgegenüber zeigt Fig. 6 - ebenfalls in der Seitenansicht - eine Maschine, bei
der zwei Werkzeugsupporte 1, 2 auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstückes
angeordnet sind, und deren X-Schlitten 35 vorzugsweise in der gleichen X-Ebene
aus gegeneinander gegen das in Fig. 6 nicht dargestellte Werkstück, also gegen
die Längsachse 10 der Maschine, verfahrbar sind.
Dabei tragen die Supporte 1 und 2, wie in den Fig. 1 und 2 beschrieben,
einerseits ein drehbares scheibenförmiges Drehfräswerkzeug 11 und andererseits
ein drehbares bzw. schwenkbares, scheibenförmiges Drehräumwerkzeug 14 bzw.
Dreh-Drehräumwerkzeug 15. Zusätzlich ist in der Fig. 6 jedoch auf einer der
beiden Z-Führungen 33, 33' des Bettes 3 ein weiterer Werkzeugsupport 40
verfahrbar, welcher eine bereits anhand der Fig. 5 vorbeschriebene und erläuterte
nichtspanende Bearbeitungseinheit 34 trägt. Die nichtspanende
Bearbeitungseinheit 34 ist auch hier entweder gegenüber dem sie tragenden X-
Schlitten 41 entweder verschwenkbar um eine Achse parallel zur Z-Richtung, oder
in Y-Richtung, also quer zur Bewegungsrichtung des X-Schlittens und quer zur
Längsachse 10, gesteuert verlagerbar.
1
Werkzeugsupport
2
Werkzeugsupport
3
Bett
4
Spindelstock
5
Spindelstock
6
a,
6
b Futter
7
Backen
8
Spitzen
10
Längsachse
11
Außenfräser
12
Fingerfräser
14
Drehräumwerkzeug
15
Dreh-Drehräumwerkzeug
16
Hublagerzapfen
17
Mittellagerzapfen
18
Antrieb
19
Zwischengetriebe
21
Endflansch
22
Endzapfen
33
Z-Führung
34
nichtspanende Bearbeitungs
einheit
35
X-Schlitten
37
Schwenkträger
38
Strahl
40
Werkzeugsupport
KW Kurbelwelle
C1
KW Kurbelwelle
C1
Drehachse von
4
,
5
C2
Drehachse von
14
,
15
Claims (22)
1. Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken mit zentrischen, rotations
symmetrischen als auch exzentrischen Flächen, insbesondere Kurbelwellen (KW)
oder Nockenwellen, indem die Material abtragende Bearbeitung des Werkstückes
in ein und derselben Maschine
an zentrischen Flächen sowohl durch solche Verfahren bewirkt wird, bei denen die Schnittgeschwindigkeit primär durch die Drehung des Werkstückes erzeugt wird,
als auch wenigstens an den exzentrischen Flächen durch Hochgeschwindigkeits-Fräsen mittels eines scheibenförmigen Fräsers bewirkt wird.
an zentrischen Flächen sowohl durch solche Verfahren bewirkt wird, bei denen die Schnittgeschwindigkeit primär durch die Drehung des Werkstückes erzeugt wird,
als auch wenigstens an den exzentrischen Flächen durch Hochgeschwindigkeits-Fräsen mittels eines scheibenförmigen Fräsers bewirkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Bearbeitungsverfahren spanende Bearbeitungsverfahren sind.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein gezielter Materialabtrag mittels Laserstrahl bewirkt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein gezielter Materialabtrag mittels Wasserstrahl bewirkt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Werkstück sowohl mittels Außenfräsen als auch mittels Drehen bzw.
Drehräumen bzw. Dreh-Drehräumen bearbeitet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Bearbeitung durch die unterschiedlichen Verfahren in einer Aufspannung
geschieht.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Bearbeitung des Werkstückes an mehreren Stellen gleichzeitig geschieht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die auf der Werkstück-Drehzahl basierenden Bearbeitungsverfahren,
insbesondere das Drehen/Drehräumen/Dreh-Drehräumen, auch nach dem Härten
der zu bearbeitenden Bereiche des Werkstückes, insbesondere der Kurbelwelle
KW geschieht und das Härten in der Maschine für die spanende Bearbeitung
geschieht.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Härten mittels Laser geschieht.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Härten mittels eines Induktors geschieht.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
auch der Endflansch (21) und/oder der Endzapfen (22) der Kurbelwelle (KW)
innerhalb des gleichen Arbeitsprozesses, ohne Entfernung aus der die
Bearbeitung der übrigen Bereiche vornehmenden Maschine, vorgenommen wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Bearbeitung einer Kurbelwelle geschieht, indem
bei einer Spannung der Kurbelwelle KW zwischen Spitzen (8) ein Mittellager (17a), insbesondere ein in der Mitte der axialen Erstreckung befindliches Mittellager (17b) mittels Drehen und/oder Drehräumen und/oder Dreh- Drehräumen am Lagerumfang bearbeitet wird,
an dem bearbeiteten Mittellager (z. B. 17b) eine Abstützung der Kurbelwelle (KW) zusätzlich zur Spitzenspannung erfolgt und in dieser Spannung nacheinander oder gleichzeitig die Bearbeitung von Endflansch (21) und Endzapfen (22) wenigstens an deren Umfangsflächen durch Drehen und/oder Drehräumen und/oder Dreh-Drehräumen vorgenommen wird,
die Spannung der Kurbelwelle (KW) nunmehr an den bearbeiteten Umfangsflächen von Endflansch (21) und Endzapfen (22) geschieht und im folgenden
die Bearbeitung der Mittellager (17a) wenigstens an der Umfangsfläche durch Drehen oder Drehräumen oder Dreh-Drehräumen vorgenommen wird und
die Bearbeitung der Hublager (16) am Umfang sowie ggf. der Wangenstirnflächen durch Außenfräsen bzw. Drehfräsen, insbesondere unter Hochgeschwindigkeit, vorgenommen wird.
die Bearbeitung einer Kurbelwelle geschieht, indem
bei einer Spannung der Kurbelwelle KW zwischen Spitzen (8) ein Mittellager (17a), insbesondere ein in der Mitte der axialen Erstreckung befindliches Mittellager (17b) mittels Drehen und/oder Drehräumen und/oder Dreh- Drehräumen am Lagerumfang bearbeitet wird,
an dem bearbeiteten Mittellager (z. B. 17b) eine Abstützung der Kurbelwelle (KW) zusätzlich zur Spitzenspannung erfolgt und in dieser Spannung nacheinander oder gleichzeitig die Bearbeitung von Endflansch (21) und Endzapfen (22) wenigstens an deren Umfangsflächen durch Drehen und/oder Drehräumen und/oder Dreh-Drehräumen vorgenommen wird,
die Spannung der Kurbelwelle (KW) nunmehr an den bearbeiteten Umfangsflächen von Endflansch (21) und Endzapfen (22) geschieht und im folgenden
die Bearbeitung der Mittellager (17a) wenigstens an der Umfangsfläche durch Drehen oder Drehräumen oder Dreh-Drehräumen vorgenommen wird und
die Bearbeitung der Hublager (16) am Umfang sowie ggf. der Wangenstirnflächen durch Außenfräsen bzw. Drehfräsen, insbesondere unter Hochgeschwindigkeit, vorgenommen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
vor dem Anlegen der Spannung an den Umfangsflächen von Endflansch (21)
und/oder Endzapfen (22) die Spitzenspannung wenigstens teilweise aufgegeben
wird zur Entspannung der Kurbelwelle (KW).
14. Vorrichtung zum spanenden Bearbeiten von Werkstücken mit rotations
symmetrischen Flächen, insbesondere von Kurbelwellen (KW) mit
wenigstens zwei Werkzeugsupporten (1, 2), die unabhängig voneinander wenigstens in einer Richtung (X-Richtung) quer zur Kurbelwellenlängsachse (10) (Z-Richtung) bewegbar sind, wobei
ein Werkzeugsupport (1) einen scheibenförmigen Außenfräser (11) trägt und
der andere Werkzeugsupport (2) ein Drehwerkzeug oder ein scheibenförmiges Drehräum (14)- bzw. Dreh-Drehräumwerkzeug (15), und
der Außenfräser (11) einen ausreichend großen Durchmesser besitzt, um einen vom Werkzeugsupport (1) abgewandten Hublagerzapfen (16) auf dessen Innenseite bearbeiten zu können.
wenigstens zwei Werkzeugsupporten (1, 2), die unabhängig voneinander wenigstens in einer Richtung (X-Richtung) quer zur Kurbelwellenlängsachse (10) (Z-Richtung) bewegbar sind, wobei
ein Werkzeugsupport (1) einen scheibenförmigen Außenfräser (11) trägt und
der andere Werkzeugsupport (2) ein Drehwerkzeug oder ein scheibenförmiges Drehräum (14)- bzw. Dreh-Drehräumwerkzeug (15), und
der Außenfräser (11) einen ausreichend großen Durchmesser besitzt, um einen vom Werkzeugsupport (1) abgewandten Hublagerzapfen (16) auf dessen Innenseite bearbeiten zu können.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Werkzeugsupporte (1, 2) auch parallel zur Längsachse (10), in Z-Richtung,
verfahrbar sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zwei Spindelstöcke (4, 5) zum Spannen und synchronen
Antreiben der Enden der Kurbelwelle KW aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
der bzw. die Spindelstöcke (4, 5) mit einem Antrieb (18) ausgestattet sind, dessen
Drehzahlbereich von 0 bis 1.500 U/min reicht.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Antrieb (18) für die Spindelstöcke (4 bzw. 5) ein schaltbares Zwischengetriebe
(19) mit einem Übersetzungsfaktor bzw. Untersetzungsfaktor von mindestens 50,
insbesondere 70, insbesondere 100 umfaßt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Zwischengetriebe (19) eine Schneckenrad/Schnecken-Paarung umfaßt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Zwischengetriebe (19) ein Planetengetriebe umfaßt.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Futter (6a, 6b) der Vorrichtung zum beidseitigen Einspannen der Kurbelwelle
einerseits Backen (7) zum Spannen am Umfang und andererseits Spitzen (8) zur
Spannung zwischen Spitzen aufweisen, wobei die Backen (7) relativ zur Spitze (8)
desselben Futters (6a, 6b) in axialer Z-Richtung soweit bewegbar sind, daß eine in
der Spitze (8) gehaltene Kurbelwelle KW nicht mehr im Bereich der Backen (7)
des gleichen Futters (6a, 6b) liegt.
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens in der langsamen Betriebsstufe des Spindelstock-Antriebes (18) die
gesteuerte C1-Achse verfügbar ist und davon abhängig die Bewegungen der
Werkzeugsupporte (1, 2) in X- und Z-Richtung steuerbar sind.
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