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Die Erfindung betrifft eine Positioniereinrichtung zur Positionierung eines Werkstücks an einem Vorrichtungselement einer Werkstückhaltevorrichtung einer Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer Honmaschine, sowie ein mit mindestens einer solchen Positioniereinrichtung ausgestattetes Vorrichtungselement einer Werkstückhaltevorrichtung.
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Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Positionierung von Werkstücken für die spanende Bearbeitung mittels einer Bearbeitungsmaschine, bei der es sich zum Beispiel um eine Honmaschine, eine Feinbohrmaschine oder um ein Bearbeitungszentrum handeln kann. Bei den zu bearbeitenden Werkstücken kann es sich z. B. um Zylinderkurbelgehäuse oder Zylinderköpfe für Brennkraftmaschinen handeln.
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Das Zylinderkurbelgehäuse (ZKG), welches oft auch schlicht als „Kurbelgehäuse”, „Zylinderblock” oder „Motorblock” bezeichnet wird, ist integraler Bestandteil von Verbrennungsmotoren bzw. Brennkraftmaschinen, wie sie beispielsweise in Personen- oder Lastkraftwagen, Flugzeugen, Schiffen oder stationären Anlagen Einsatz finden. Die am weitesten verbreitete Bauform sind Mehrzylindermotoren, deren Kolben über Pleuel mit der rotierenden Kurbelwelle verbunden sind, die die vom Motor erzeugte Kraft an Räder, Schiffsschrauben, Propeller, Generatoren oder dergleichen weiterleitet.
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Die meisten Bauteile und Funktionsflächen an einem Zylinderkurbelgehäuse unterliegen relativ engen Toleranzen, die sich aus den komplexen Funktionen dieser Elemente ergeben. Die Position, die Form, das Maß und die Oberflächentopografie der Zylinderbohrungen bestimmen beispielsweise maßgeblich den Verschleiß, die Reibung, den Ölverbrauch und die Emissionswerte des Verbrennungsmotors sowie, als Folge der Reibung, auch die Leistung und den Wirkungsgrad. Die Kurbelwelle stützt sich am Zylinderkurbelgehäuse in den Lagerstellen der Kurbelwellenlagerbohrung ab. Diese Lagerstellen sind hinsichtlich ihrer Größe und Lage im Zylinderkurbelgehäuse eng toleriert. Die exakte Position der Kurbelwelle relativ zu den Kolben bzw. zu den Zylinderbohrungen ist unter anderem wichtig zur Verschleißminderung an hoch belasteten Motorteilen, wie z. B. den Kolben/Kolbenbolzen, den Pleueln, den Pleuellagern auf der Kurbelwelle und den Lagern der Kurbelwelle im Zylinderkurbelgehäuse.
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Weiterhin muss am Zylinderkurbelgehäuse an der dem Zylinderkopf zugewandten Zylinderkopfseite eine möglichst ebene Abschlussfläche geschaffen werden, die als Anlagefläche für die Zylinderkopfdichtung dient. Diese Abschlussfläche wird gelegentlich auch als „Deckfläche” bezeichnet. Die Abdichtung zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf durch eine Zylinderkopfdichtung wird wegen der zunehmend höheren Verdichtungen insbesondere im Bereich der Dieselmotoren, aber auch bei Ottomotoren, immer stärker beansprucht.
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Bei der Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses wird zunächst ein Rohling gegossen, der anschließend mit unterschiedlichen spanabhebenden Bearbeitungsverfahren in geeigneter Abfolge bearbeitet wird. Bei manchen Verfahren wird nach dem Gießen an der zur Befestigung des Zylinderkopfs vorgesehenen Zylinderkopfseite des Gussteils in einer ein- oder mehrstufigen Planfeinbearbeitungsoperation die ebene Deckfläche erzeugt. Nachfolgend werden in mehreren nacheinander durchlaufenen Arbeitsstationen tribologisch beanspruchbare Bohrungen des ZKG, insbesondere die Zylinderbohrungen und die Kurbelwellenlagerbohrung, erst einer Vorbearbeitung und anschließend einer Feinbearbeitung unterzogen.
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Die Vorbearbeitung des Zylinderkurbelgehäuses umfasst in der Regel eine gehäuseseitige, d. h. einseitige Vorbearbeitung von Elementen der Kurbelwellenlagerbohrung inklusive der Erzeugung einer Axiallagerfläche für die Kurbelwelle, eine Vorbearbeitung des Zylinderkurbelgehäuses von allen Seiten, um beispielsweise Gewindebohrungen zur Anbringung von Bauteilen zu erzeugen, sowie die Montage des Lagerdeckels, der gemeinsam mit gehäuseseitigen Lagerstegen die Kurbelwellenlagerbohrung bildet. In der Regel werden im Rahmen der Vorbearbeitung auch die Zylinderbohrungen vorgebohrt.
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Weiterhin werden bei der Vorbearbeitung Indexbohrungen am Rande der Deckfläche und/oder an anderer Stelle des Werkstücks angebracht. An kubischen Werkstücken, wie z. B. Zylinderkurbelgehäusen oder Zylinderköpfen, werden Indexbohrungen paarweise angebracht. Mit Hilfe eines Paars von Indexbohrungen, d. h. mit zwei gemeinsam nutzbaren Indexbohrungen, die sich mit definiertem Abstand an zwei definierten Positionen des Werkstücks befinden, kann das Werkstück bei Bedarf für positionsbestimmende Bearbeitungsoperationen in einer genau bestimmbaren Position relativ zur Bearbeitungsmaschine festgelegt werden.
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Indexbohrungen oder Paare von Indexbohrungen können an zwei oder mehr unterschiedlichen, für die Werkstückspannung geeigneten Werkstückseiten angebracht sein, um die Position des Werkstücks in Bezug auf das in direkten Werkstückkontakt tretende Vorrichtungselement der Werstückhaltevorrichtung für die Bearbeitung festzulegen.
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Gelegentlich werden die zu bearbeitenden Werkstücke zu Transportzwecken auf gesonderten Adapterpaletten befestigt, die dann in der Bearbeitungsstation als Teil der Werkstückhalteeinrichtung fungieren und an einem korrespondierenden Vorrichtungselement der Werkstückhaltevorrichtung lagerichtig festgelegt werden müssen. In diesem Fall sind eine exakte Positionierung des zu bearbeitenden Werkstücks an der Adapterpalette sowie eine exakte Positionierung der Adapterpalette an dem korrespondierenden Vorrichtungselement der Werkstückhaltevorrichtung erforderlich, um den Bezug zwischen Werkstück-Koordinatensystem und Maschinen-Koordinatensystem herzustellen.
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Gattungsgemäße Positioniereinrichtungen, die an einem Vorrichtungselement einer der Bearbeitungsmaschine zugeordneten Werkstückhaltevorrichtung angebracht sind, dienen auf der Seite der Bearbeitungsmaschine dazu, durch Zusammenwirken mit Indexbohrungen ein zu bearbeitendes Werkstück in einer genau bestimmbaren Position an der Bearbeitungsmaschine festzulegen.
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Eine Positioniereinrichtung weist einen Indexierbolzen auf, der einen dem Innendurchmesser einer Indexbohrung angepassten Einführabschnitt zum Einführen in eine der Indexbohrungen aufweist. Um einerseits die Einführung in die Indexbohrung nicht zu behindern und andererseits eine gute Positionierung zu gewährleisten, ist der Durchmesser des Einführabschnitts zumindest in einer Radialrichtung so gewählt, dass zwischen diesem und der Innenwand der Indexbohrung nur ein geringes Spiel verbleibt, das z. B. im Bereich von einem Zehntelmillimeter liegen kann.
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Um eine exakte Werkstückpositionierung bezüglich Ort und Winkellage zu erreichen, ist bei manchen Werkstückhaltevorrichtungen ein Anschlagelement mit einem Innenwinkel vorgesehen. Mit Hilfe einer pneumatischen Andrückeinrichtung wird das Werkstück seitlich gegen den Innenwinkel gedrückt, um auf diese Weise jegliches Spiel im Bereich der Indexierbolzen herauszudrücken und das Werkstück exakt auszurichten. Derartige Andrückeinrichtungen verteuern die Werkstückhaltevorrichtung, die Werkstückpositionierung benötigt zusätzliche Zeit und wird verkompliziert.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache und exakte Werkstückpositionierung zu ermöglichen. Insbesondere soll eine gattungsgemäße Positioniereinrichtung mit einfacher Konstruktion bereitgestellt werden, die eine schnelle und exakte Positionierung von Werkstücken an Bearbeitungsmaschinen erlaubt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung eine Positioniereinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird ein Vorrichtungselement mit mindestens einer solchen Positioniereinrichtung gemäß Anspruch 13 bereitgestellt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Positioniereinrichtung dient zur lagedefinierten Positionierung eines Werkstücks an einem Vorrichtungselement einer Werkstückhaltevorrichtung einer Bearbeitungsmaschine. Die Positioniereinrichtung dient dazu, das Koordinatensystem des zu positionierenden Werkstücks mit dem Koordinatensystem des Vorrichtungselements in einen gewünschten, festen Bezug zu setzen. Bei dem zu positionierenden Werkstück kann es sich um dasjenige Werkstück handeln, welches an der Bearbeitungsmaschine bearbeitet werden soll, also beispielsweise um ein Zylinderkurbelgehäuse. Es ist auch möglich, dass das zu positionierende Werkstück ein Vorrichtungselement der Werkstückhaltevorrichtung ist, welches mit anderen Vorrichtungselementen der Werkstückhaltevorrichtung an der Bearbeitungsstation zusammenarbeitet und indirekt einen festen Bezug zwischen den maschinenseitigen Teilen der Werkstückhaltevorrichtung und dem zu bearbeitenden Werkstück schafft. Das Vorrichtungselement kann beispielsweise eine sogenannte Adapterpalette sein, also ein fertig bearbeitetes, ggf. mehrteilig aufgebautes Werkstück, welches für Transportzwecke an dem zu bearbeitenden Werkstück lagedefiniert angebracht wird und dann am zu bearbeitenden Werkstück verbleibt, wenn dieses an der Bearbeitungsstation der Bearbeitungsmaschine an einem oder mehreren anderen Vorrichtungselementen der Werkstückhaltevorrichtung festgelegt wird.
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Das Werkstück hat meist an mindestens zwei mit Abstand zueinander liegenden definierten Positionen Indexbohrungen, die typischerweise als zylindrische Bohrungen mit einem einheitlichen Innendurchmesser ausgestaltet sind.
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Die Positioniereinrichtung weist einen Indexierbolzen auf, der einen dem Innendurchmesser der Indexbohrung angepassten Einführabschnitt zum Einführen in die Indexbohrung aufweist. Der Einführabschnitt ist so dimensioniert, dass er mit geringem seitlichem Spiel in die Indexbohrung passt. Dieses Spiel ist erforderlich, damit ein Werkstück in bzw. auf ein Indexbolzenpaar geladen werden kann. Dieses Spiel (üblicherweise Toleranz 0,02 mm–0,06 mm bei Bolzendurchmessern bzw. Bohrungsdurchmessern bis zu 18 mm) kann die Lageposition verfälschen.
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Um eine Verbesserung der Positionierung zu erreichen, hat der Indexierbolzen anschließend an den Einführabschnitt einen konischen Zentrierabschnitt, welcher beispielsweise kegelstumpfförmig gestaltet sein kann oder aber nur über einen Teil oder Teile seines Umfangs eine konische Außenkontur hat. An seinem dem Einführabschnitt zugewandten Ende hat der Zentrierabschnitt einen ersten Durchmesser, der kleiner als der (maximale) Durchmesser des Einführabschnitts ist oder diesem entspricht. Dadurch kann der Zentrierabschnitt mit seinem dünneren Ende, d. h. im Bereich seines ersten Durchmessers, noch in die Indexbohrung eingeführt werden. Am gegenüberliegenden Ende hat der Zentrierabschnitt einen zweiten Durchmesser, der größer als der (maximale) Durchmesser des Einführabschnitts ist. Der zweite Durchmesser kann beispielsweise zwischen 5% und 20% größer sein als der erste Durchmesser und sollte so bemessen sein, dass der Zentrierabschnitt im Bereich des zweiten Durchmessers, also am dickeren Ende des Zentrierabschnitts, nicht in die Indexbohrung hineinpasst.
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Dadurch wird erreicht, dass sich der Indexierbolzen beim Einführen in die Indexbohrung im Bereich des Zentrierabschnitts am äußeren Bohrungsrand der Indexbohrung entlang einer mehr oder weniger schmalen Kontaktzone abstützt und dadurch den Indexierbolzen in der Indexbohrung zentriert. Das Spiel wird also zur Mitte der Indexbohrung hin ausgeglichen, die als Referenz für nachfolgende Bearbeitungen dient.
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Durch die besondere Gestalt des Indexierbolzens wird also eine Selbstzentrierung der Indexbohrung in Bezug auf den Indexierbolzens unabhängig von der Position des Einführabschnitts innerhalb der Indexbohrung erreicht und jegliches Spiel zwischen Indexierbolzen und Indexbohrung selbsttätig eliminiert. Eine zusätzliche, extern verursachte Werkstückbewegung, wie sie im Stand der Technik beispielsweise durch seitliches Andrücken an Winkelanschläge erreicht wird, ist daher nicht nötig. Diese ist auch nicht erwünscht, da dadurch eine Lageungenauigkeit entstehen könnte.
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Mit Hilfe der Positioniereinrichtung ist eine schnelle und exakte Positionierung des Werkstücks möglich. Diese Vorteile werden unter anderem durch die besondere Gestaltung des Indexierbolzens mit Zentrierabschnitt erreicht und können auf relativ kostengünstige Weise umgesetzt werden.
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Vorzugsweise hat ein mit Positioniereinrichtungen ausgestattetes Vorrichtungselement zwei in definiertem Abstand zueinander angeordnete Positioniereinrichtungen der beanspruchten Art, die bei der Werkstückpositionierung mit den zusammen gehörenden Indexbohrungen eines Indexbohrungs-Paars zusammenwirken.
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Indexbohrungen an Werkstücken haben typischerweise an ihrer Einfahrseite bzw. Eintrittsseite eine umlaufende Fase (Einführfase), die beim Bohren der Indexbohrungen mit dem gleichen Werkzeug wie die Indexbohrung selbst erzeugt wird und dadurch bezüglich der Position der Indexbohrung exakt zentriert ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Positioniereinrichtung sind so gestaltet, dass diese Fase für die Zentrierung nicht benutzt werden muss. Dazu hat der Zentrierabschnitt des Indexierbolzens einen Konuswinkel, der kleiner als der Fasenwinkel ist.
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Hierdurch ergibt sich ein Linienkontakt zwischen Indexierbolzen und Fase, wobei durch den im Vergleich zum Fasenwinkel kleineren Konuswinkel erreicht wird, dass zwischen Indexierbolzen und Werkstück im Bereich des Berührungskontakts keine Selbsthemmung auftritt. Damit kann das Werkstück später auf einfache Weise vom Indexierbolzen abgehoben werden. Der Indexierbolzen zentriert sich dabei auf das an der Fase liegende Ende der Indexbohrung und nicht auf die Fase, so dass sich selbst bei schlecht bearbeiteter Fase eine exakte Zentrierung ergibt.
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Vorzugsweise hat der Zentrierabschnitt einen Konuswinkel, der weniger als 45° beträgt, wobei der Konuswinkel vorzugsweise zwischen 10° und 30° liegt, insbesondere zwischen 15° und 25°. Derartige Zentrierabschnitte sind besonders gut an Fasen angepasst, die einen Fasenwinkel im Bereich von 45° haben. Durch ein geeignetes Verhältnis der Winkel (Fasenwinkel und Konuswinkel) kann neben einer sicheren Zentrierung auch erreicht werden, dass im Falle einer nicht exakten Lage des zu zentrierenden Werkstück am Indexierbolzen eine ausreichend starke Richtkraft in Richtung der zentrischen Lage erzeugt wird.
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Eine für das zu zentrierende Werkstück und den Indexierbolzen besonders schonende Positionierung ist bei manchen Ausführungsformen dadurch möglich, dass der Indexierbolzen axial federnd gelagert ist. Vorzugsweise wird das dadurch erreicht, dass die Positioniereinrichtung eine Indexaufnahmeeinrichtung aufweist, die eine Aufnahmebohrung zur Aufnahme des Indexierbolzens aufweist, wobei der Indexierbolzen in der Indexaufnahmeeinrichtung in Axialrichtung (des Indexierbolzens) federnd gelagert ist. Die Indexaufnahmeeinrichtung ist eine von dem Vorrichtungselement gesonderte Einrichtung und dient der Montage des Indexierbolzens an dem Vorrichtungselement, zu welchem das Werkstück auszurichten ist. Die Indexaufnahmeeinrichtung kann beispielsweise topfartig ausgebildet sein und einen Bodenabschnitt haben, wobei zwischen dem Bodenabschnitt und dem Indexierbolzen eine Feder, insbesondere eine Tellerfeder, angeordnet ist. Diese kann sich einerseits am Bodenabschnitt und andererseits an einer zugewandten Stirnfläche des Indexierbolzens abstützen. Dadurch wird die Eintauchbewegung des Indexierbolzens in der Indexaufnahmeeinrichtung abgefedert, bis das Werkstück bei Aufliegen auf eine entsprechende Auflagefläche die gewünschte Höhenposition (in Axialrichtung des Indexierbolzens) erreicht hat.
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Die Positioniereinrichtung kann als „intelligente” Positioniereinrichtung in der Weise ausgebildet sein, dass mit Hilfe eines Sensors abgefragt werden kann, ob das auszurichtende Werkstück richtig auf dem Indexierbolzens aufsitzt. Dazu ist bei bevorzugten Ausführungsformen ein Sensor zur Erfassung der relativen Position des Indexierbolzens in der Indexaufnahmeeinrichtung vorgesehen, wobei dieser Sensor z. B. elektrische Sensorsignale erzeugen kann, die an eine angeschlossene Abfrageeinrichtung übertragen und durch diese ausgewertet werden können. Als Sensor kann beispielsweise ein elektrischer Lagesensor verwendet werden. Mit Hilfe der Sensorsignale wird erkannt, wann das Werkstück richtig „sitzt”. Bleibt ein solches Signal aus, wird die Werkstückbearbeitung nicht freigegeben.
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Um die Zentrierung des zu zentrierenden Werkstückes auf dem Zentrierabschnitt zu erleichtern, ist bei manchen Ausführungsformen eine Schwimmlagereinrichtung zur schwimmenden Lagerung des Werkstücks auf dem Vorrichtungselement beim Aufsetzen des Werkstücks auf den Zentrierabschnitts des Indexierbolzens vorgesehen. Hierdurch wird die Ausrichtung des Werkstücks quer zur Längsrichtung des Indexierbolzens bzw. quer zur Wirkrichtung der Schwerkraft erleichtert. Dadurch wird der Indexierbolzen entlastet und es ergibt sich eine präzisere Positionierung.
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Die Schwimmlagereinrichtung kann beispielsweise für eine fluidische Lagerung des Werkstücks ausgebildet sein. Bei einer Ausführungsform gehört zur Schwimmlagereinrichtung mindestens ein Lagerelement mit einer ebenen Auflagefläche für eine korrespondierende ebene Gegenfläche am Werkstück, wobei Fluidkanäle (einer oder mehrere) einer pneumatischen oder hydraulischen Schwimmlagereinrichtung an der Auflagefläche des Lagerelements münden. Dadurch kann zwischen dem Lagerelement und dem zu zentrierenden Werkstück in der Endphase des Aufsetzens ein Fluidpolster, beispielsweise ein Luftpolster oder ein Kühlschmierstoffpolster, erzeugt werden.
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Eine solche Schwimmlagereinrichtung kann auch gleichzeitig als fluidische Reinigungseinrichtung zur Reinigung der gegebenenfalls empfindlichen Gegenfläche am Werkstück vor dem Aufsetzen dienen, so dass beispielsweise durch Kratzer am Werkstück durch liegengebliebene Späne vermieden werden können. Das ist besonders vorteilhaft in solchen Fällen, in denen es sich bei der Gegenfläche am Werkstück, die bei der Bearbeitung als Lagerfläche dient, um eine Fläche handelt, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstücks als Dichtfläche genutzt werden soll.
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Die Erfindung betrifft auch ein Vorrichtungselement einer Werkstückhaltevorrichtung, welches mit mindestens einer solchen Positioniereinrichtung ausgestattet ist. Vorzugsweise sind am Vorrichtungselement zwei Positioniereinrichtungen der beanspruchten Art vorgesehen, deren Abstand so bemessen ist, dass sie bei der Werkstückpositionierung mit einem Paar zusammengehörender Indexbohrungen zusammenarbeiten können.
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Bei dem Vorrichtungselement kann es sich beispielsweise um eine von den sonstigen Elementen der Werkstückhaltevorrichtung abnehmbare Adapterpalette handeln, die für Transportzwecke am zu bearbeitenden Werkstück montiert wird und dort gegebenenfalls über längere Zeiträume und über mehrere Bearbeitungsstationen hinweg verbleibt. Das Vorrichtungselement kann jedoch auch im Bereich einer Bearbeitungsstation der Bearbeitungsmaschine maschinenfest an anderen Komponenten der Werkstückhaltevorrichtung montiert sein.
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Bei der Bearbeitungsmaschine kann es sich z. B. um eine Honmaschine oder eine Feinbohrmaschine handeln, ggf. auch um ein Bearbeitungszentrum.
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Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte Ausführungsformen darstellen. Bevorzugte Ausführungsformen werden an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine rahmenförmige Adapterpalette, auf der ein Werkstück mit Hilfe von Positioniereinrichtungen lagerichtig positioniert ist;
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2 zeigt eine schematische Seitenansicht der Anordnung von 1;
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3 zeigt eine Schnittdarstellung durch Elemente einer Positioniereinrichtung gemäß einer Ausführungsform inklusive eines vergrößerten Details des Kontaktbereichs zwischen einer Indexbohrung des Werkstücks und dem Indexierbolzen; und
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4 zeigt in 4A eine Variante der Positioniereinrichtung aus 3 und in 4B ein Beispiel eines Indexierbolzens mit diamantförmigem Einführabschnitt (Schwert-Index).
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Einige Ausführungsbeispiele von Positioniereinrichtungen, Vorrichtungselementen und Werkstückhalteeinrichtungen gemäß der beanspruchten Erfindung werden im Folgenden am Beispiel der Bearbeitung eines Werkstücks in Form eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine erläutert, wobei in dem Werkstück vorhandene Zylinderbohrungen mittels Honen bearbeitet werden sollen.
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In 1 ist in schematischer Draufsicht ein Vorrichtungselement 100 gezeigt, welches eine rechteckförmigen Planplatte 102 aus Stahl aufweist, in die zur Gewichtsersparnis eine zentrische rechteckige Aussparung 104 bearbeitet wurde, so dass die Platte nach Art eines massiven Rahmens ausgebildet ist. An der ebenen Oberseite 106 der Platte bzw. des Rahmens sind am Rande der Aussparung drei im Wesentlichen quaderförmige Lagerelemente 110A, 110B, 110C aufgeschraubt, die in Dreiecksanordnung zueinander liegen und als Auflagen für ein aufzunehmendes Werkstück 200 dienen. Jedes der Lagerelemente hat eine ebene Oberseite, die als Auflagefläche für einen ebenen Bereich der Unterseite 202 des Werkstücks dient.
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Die Platte 102 bildet gemeinsam mit den Lagerelementen 110A bis 110C und weiteren Elementen eine vormontierte bzw. vormontierbare, werkstückspezifische Adapterpalette, die an die Dimensionen des Werkstücks angepasst ist.
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Wie in der Seitenansicht in 2 zu erkennen, hat das Werkstück (Zylinderkurbelgehäuse) an der auf die Lagerelemente 110A, 110B aufzulegenden Seite einen seitlich abstehenden plattenförmigen Abschnitt, in welchen zwei zylindrische Indexbohrungen 120A, 120B eingebracht sind. Die Bohrungsachsen der Indexbohrungen verlaufen senkrecht zur Unterseite 202 des Werkstücks. Typische Innendurchmesser von Indexbohrungen können beispielsweise im Bereich zwischen 10 mm und 20 mm liegen. Die Positionen der Indexbohrungen bzw. der Bohrungsachsen sind in Bezug auf das Werkstück-Koordinatensystem mit hoher Präzision festgelegt, so dass ein Paar von Indexbohrungen als Bezugselemente für eine präzise Positionierung (Ort und Winkel) des Werkstücks bei verschiedenen Bearbeitungsstufen dienen kann.
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An dem Vorrichtungselement 100 bzw. an der Platte 102 ist für jede der Indexbohrungen 120A, 120B eine gesonderte Positioniereinrichtung 130A, 130B vorgesehen, die mit der jeweils zugeordneten Indexbohrung selbsttätig so zusammenwirkt, dass das Werkstück 200 lagerichtig in Bezug auf das Vorrichtungselement positioniert werden kann, so dass ein fester Bezug zwischen dem Werkstück-Koordinatensystem WKS und dem Vorrichtungselement-Koordinatensystem VKS hergestellt wird.
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Jede der Positioniereinrichtungen weist einen axial federnd gelagerten Indexierbolzen 140A, 140B auf, der jeweils über die Oberseite des zugehörigen Lagerelementes hinausragt und mit einem Einführabschnitt in die jeweils zugeordnete Indexbohrung eingreift, wenn das Werkstück von oben auf die Lagerelemente aufgesetzt wird. Der in 1 rechts gezeigte Indexierbolzen 140A ist als Vollbolzen mit einem kreisförmigen Querschnitt im Bereich des Einführabschnitts ausgebildet, so dass in alle Radialrichtungen kein oder nur ein geringer Abstand zur Innenseite der Indexbohrung vorliegt (vgl. 4A). Der links gezeigte Indexierbolzen 140B ist ein sogenannter Schwert-Index und hat einen Einführabschnitt mit einem diamantförmigen Querschnitt, der in Richtung der Verbindungslinie zur anderen Indexbohrung schmaler ist als senkrecht zu dieser Richtung (vgl. 4B). Hierdurch wird eine Überbestimmung der Lagerung im Bereich der Indexbohrungen beim Aufsetzen des Werkstücks auf ein Indexbolzenpaar verhindert.
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Das Vorrichtungselement 100 dient dazu, das Werkstück 200 lagerichtig an einem oder mehreren zugehörigen Vorrichtungselementen der Werkstückhaltevorrichtung einer Bearbeitungsstation festzulegen. Um dies zu erreichen, sind auch an einem maschinenfesten Vorrichtungselement 190 der Werkstückhaltevorrichtung entsprechende Positioniereinrichtungen 195A, 195B vorgesehen. Diese haben federnd gelagerte Indexierbolzen 194A, 194B, die beim Absetzen des Vorrichtungselements 100 in korrespondierende Indexbohrungen 192A, 192B an der Unterseite der Platte 102 des Vorrichtungselements 100 eingreifen. Hierdurch werden das Maschinen-Koordinatensystem MKS und das Vorrichtungselement-Koordinatensystem VKS zueinander in Bezug gesetzt, wobei dann auch indirekt das Werkstück-Koordinatensystem WKS einen festen Bezug zum Maschinen-Koordinatensystem MKS erhält.
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Einige Besonderheiten einer Positioniereinrichtung 300 werden nun im Zusammenhang mit 3 und 4 näher erläutert. Einige oder alle Merkmale dieser Positioniereinrichtung können z. B. auch bei den Positioniereinrichtungen 130A, 130B sowie den Positioniereinrichtungen 195A, 195B vorgesehen sein, mit denen das Vorrichtungselement 100 am Vorrichtungselement 190 festgelegt wird. Die Positioniereinrichtung 300 dient dazu, ein Werkstück 200' an einem plattenförmigen Vorrichtungselement 100' mit hoher Positionierungspräzision zu positionieren.
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Die Positioniereinrichtung hat einen aus Stahl gefertigten Indexierbolzen 320, der in einer Indexaufnahmeeinrichtung 330 parallel zu seiner Bolzenachse 322 axial verschiebbar und federnd gelagert ist. Die im Wesentlichen topfförmige Indexaufnahmeeinrichtung hat einen zylinderhülsenförmigen Mittelabschnitt 332, in dem eine zylindrische Aufnahmebohrung zur Aufnahme des Indexierbolzens vorgesehen ist. An der Einführseite für den Indexierbolzen schließt sich an den Mittelabschnitt ein nach außen abragender Flanschabschnitt 334 an, an der anderen Seite befindet sich ein Bodenabschnitt 336 mit einer zur Aufnahmebohrung konzentrischen Durchgangsbohrung kleineren Durchmessers. Die Indexaufnahmeeinrichtung passt spielfrei in eine entsprechende zylindrische Bohrung des Vorrichtungselements 100' und wird dort mit Hilfe von Befestigungsschrauben befestigt, die durch Bohrungen im Bereich des Flanschabschnitts 334 hindurchgreifen.
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Der aus einem Stück gefertigte Indexierbolzen 320 hat einen Mittelabschnitt 321 mit kreiszylindrischer Außenkontur, der spielfrei, aber axial beweglich im Mittelabschnitt der Indexaufnahmeeinrichtung geführt ist. Die aneinander abgleitenden, zylindrischen Gleitflächen von Indexierbolzen und Indexaufnahmeeinrichtung sind hierzu jeweils durch Schleifen feinbearbeitet. Nach oben bzw. außen schließt sich ein konischer bzw. kegelstumpfförmiger Zentrierabschnitt 322 bzw. Zentrierkonus an, dessen Kegelmantelfläche mit der Bolzenachse einen Konuswinkel K von 20° einschließt. Der Zentrierabschnitt geht nach außen bzw. oben in einen Einführabschnitt 324 über, wobei sich am Übergang zwischen Zentrierabschnitt und Einführabschnitt eine Ringnut 323 bzw. ein radialer Einstich befindet. Der Einführabschnitt hat anschließend an die Ringnut einen zylindrischen Abschnitt 326, der zum freien Ende in einen kegelstumpfförmigen Endabschnitt übergeht.
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Der kreiszylindrische Abschnitt 326 des Einführabschnitts hat einen Außendurchmesser, der geringfügig (ca. 2/100 mm) kleiner ist als der Innendurchmesser der zylindrischen Indexbohrung 120', die im Werkstück 200' ausgebildet ist. Diese Indexbohrung 120' hat an ihrer der Werkstückunterseite 202' zugewandten Einfahrseite eine Fase 122, die mit der Achse der Indexbohrung einen Fasenwinkel F von 45° einschließt.
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Der konische Zentrierabschnitt 322 hat an seinem dem Einführabschnitt bzw. der Ringnut zugewandten Ende einen ersten Durchmesser D1, der etwas kleiner ist als der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 326 des Einführabschnitts 324. An dem gegenüberliegenden Ende, welches in den Mittelabschnitt 321 übergeht, hat der Zentrierabschnitt 322 einen zweiten Durchmesser D2, der um ca. 10% bis 20% größer ist als der Außendurchmesser der Einführabschnitts im zylindrischen Abschnitt 326, und damit auch größer als der Innendurchmesser der Indexbohrung. Die axiale Länge des Zentrierabschnitts zwischen der Ringnut und dem Mittelabschnitt beträgt etwa 20 bis 40% des größeren zweiten Durchmessers D2.
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An der dem Einführabschnitt gegenüberliegenden Seite hat der Indexierbolzen eine stufenartige Durchmesserverjüngung, wodurch am gegenüberliegende Ende ein zylindrischer Fortsatz 328 gebildet wird, der mit nur geringem Spiel durch die Bohrung im Bodenabschnitt 336 hindurchpasst. Bei der Montage wird der Indexierbolzen von oben in die topfartige Indexaufnahmeeinrichtung eingeschoben, bis der zylindrische Fortsatz durch diese Öffnung greift. An der herausragenden Stirnseite wird dann unter Zwischenlage eine Scheibe größeren Durchmessers eine Befestigungsschraube eingeschraubt, wodurch der Indexierbolzen gegen Herausfallen gesichert ist.
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Zwischen der freien Stirnseite des Mittelabschnitts 321 am Übergang zum Fortsatz 328 und dem Bodenabschnitt 336 ist eine Federanordnung 350 angeordnet, die mehrere Tellerfedern aufweist, die den Fortsatz umschließen. Die Federanordnung stützt sich einerseits an der Innenseite des Bodenabschnitts und andererseits an der zugewandten Stirnseite des Mittelabschnitts ab. Dadurch ist der Indexierbolzen in der Indexaufnahmeeinrichtung axial federnd gelagert. Die zum Eindrücken des Indexierbolzens nötige Kraft kann durch die Auslegung der Federkraft der Federn vorgegeben werden.
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Im Bereich der Federanordnung ist in der Wandung der Indexaufnahmeeinrichtung ein Sensor 370 nach Art eines ortsauflösenden Lagesensors angebracht, der Bestandteil einer Abfrageeinrichtung ist, mit deren Hilfe überwacht werden kann, ob der Indexbolzen eingedrückt ist oder nicht bzw. ob ein Werkstück richtig aufsitzt oder nicht.
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Mit Hilfe der Positioniereinrichtung 300 ist eine exakte Positionierung eines Werkstücks in Lateralrichtung (senkrecht zur Bolzenachse) möglich. Um auch in Axialrichtung (parallel zur Bolzenachse) eine exakte Positionierung zu erreichen und gleichzeitig die laterale Positionierung zu unterstützen, ist eine pneumatische Schwimmlagereinrichtung zur schwimmenden Lagerung des Werkstücks 200' auf dem Vorrichtungselement 100' vorgesehen, die in derjenigen Phase wirksam ist, in welcher das Werkstück in Kontakt mit dem Zentrierabschnitt des Indexierbolzens tritt. Hierzu gehört ein quaderförmiges Lagerelement 110, welches auf der Platte 102' des Vorrichtungselements 100' unmittelbar neben der Indexaufnahmeeinrichtung 330 montiert ist und eine ebene Oberseite 112 hat, die etwa auf Höhe der Mitte des Zentrierabschnitts 322 liegt. In dem Lagerelement 110 ist ein System von Fluidkanälen 381 vorgesehen, die von einem seitlichen Druckluftanschluss 382 zur ebenen Oberseite 112 des Lagerelements führen. An den Druckluftanschluss wird über entsprechende Leitungen ein Kompressor 385 bzw. eine andere Druckluftquelle angeschlossen. Die räumliche Dichte und Anzahl der an der Oberseite mündenden Fluidkanäle ist so bemessen, dass sich in der Endphase des Aufsetzen des Werkstücks auf den Indexierbolzen zwischen der ebenen Werkstückunterseite 202' und der Auflagefläche 112 ein Luftkissen bilden kann, auf dem das Werkstück in der letzten Phase der Zentrierung auf dem Zentrierabschnitt 322 lateral schwimmen kann. Dadurch sind die durch den Zentrierabschnitt auf das Werkstück ausgeübten Richtkräfte in Richtung einer Zentrierung auf jeden Fall ausreichend, eine laterale Bewegung des Werkstücks bis zum Erreichen der exakten Position sicherzustellen. Nachdem das Werkstück aufsitzt, was über die Abfrageeinrichtung überwacht werden kann, kann die Druckluftquelle abgeschaltet werden.
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Die in den Zwischenraum zwischen Lagerelement 110 und Werkstück 200' einströmende Druckluft sorgt außerdem für eine Reinigung der Werkstückoberfläche 202 und der Lagerelementoberfläche 112 von eventuell anhaftenden Spänen, so dass durch die exakte Positionierung und die damit verbundene Lateralbewegung des Werkstücks keine durch Späne oder dergleichen bedingten Kratzer oder Oberflächenverunreinigungen erzeugt werden.
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Wenn das Werkstück auf das Vorrichtungselement aufgesetzt wird, zentrieren sich die Indexbohrungen selbsttätig auf den Indexierbolzen, wodurch trotz Spiel im Bereich der Einführabschnitte eine exakte Positionierung erreicht wird. Das richtig positionierte und ausgerichtete Werkstück wird dann mittels geeigneter Spannmittel am Vorrichtungselement gespannt. Die dadurch erzeugten Reibkräfte verhindern dann eine weitere Bewegung des Werkstücks, so dass die richtige Position auch unter Einwirkung von Bearbeitungskräften erhalten bleibt.
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In 4A ist eine Variante der Positioniereinrichtung 300 gezeigt. Die Schwimmlagereinrichtung hat dort einen Fluidkanal 381', der durch die Platte 102 und das darauf montierte Lagerelement 110 hindurch zu dessen Oberseite 112 führt. Hier ist nur ein einziger Luftauslass an der Oberseite 112 vorgesehen.
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Der Indexierbolzen 320 ist ein Vollbolzen (vgl. Indexierbolzen 140A), dessen Einführabschnitt kreiszylindrisch mit einheitlichem Durchmesser in alten Radialrichtungen ist.
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Der andere zu dem Bolzenpaar gehörende Indexierbolzen 320' in 4B ist dagegen ein sogenannter Schwert-Index (vgl. Indexierbolzen 140B). Dessen Einführabschnitt 324' hat eine polygonale bzw. diamantförmige Querschnittsform. In Richtung der Verbindungslinie V zum Vollbolzen 320 ist der Durchmesser deutlich kleiner als in der dazu senkrechten Richtung (Querrichtung). In der Querrichtung liegt der maximale Durchmesser, der dem Durchmesser des Einführabschnitts des Vollbolzens entspricht. Auch der Schwert-Index hat anschließend an den Einführabschnitt einen Zentrierabschnitt 322', so dass eine selbsttätige Zentrierung in der zugehörigen Indexbohrung 120'' stattfindet. Der Zentrierabschnitt 322' ist aber nicht kegelstumpfförmig, sondern hat in der Querrichtung zwei diametral gegenüberliegende Kegelabschnitte mit ca. 40° bis 60° Umfangsbreite, während in Verbindungsrichtung Aussparungen am Umfang des Zentrierabschnitts vorgesehen sind. In Querrichtung findet somit eine Zentrierung statt, während eine Anpassungsbewegung in Verbindungsrichtung möglich ist, um eine Überbestimmung der Lagerung zu vermeiden. Ein Paar aus Vollbolzen und Schwert-Bolzen bewirkt eine lagegenaue und winkelgenaue Positionierung und vermeidet eine überbestimmte Lagerung beim Aufsetzen des Werkstücks.
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Beschrieben wurden hier insbesondere folgende drei Zustände: (i) das Werkstück wird direkt auf die Vorrichtung in der Bearbeitungsmaschine indexiert und gespannt. (ii) Das Werkstück wird auf Adapterpalette gespannt, d. h. das Spiel der Indexe vom Werkstück zur Adapterpalette wird kompensiert. (iii) Die Adapterpalette mit Werkstück wird in der Bearbeitungsstation indexiert, um das Spiel von der Adapterpalette zu kompensieren.
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Es gibt im Übrigen auch Werkstücke, die für eine Einspannsituation nur eine einzige Indexbohrung aufweisen. Beispielsweise können Rotationswerkstücke wie Kurbelwellen oder Nockenwellen an einer Stelle mittels einer Indexbohrung und an anderer Stelle mittels einer Spitze gehalten und damit positioniert werden. Auch hierbei können erfindungsgemäße Positioniereinrichtungen verwendet werden.
