DE102006058710A1

DE102006058710A1 - Werkzeugmaschine und Bearbeitungsvorrichtung zum Verfestigen von Radienübergängen an Kurbelwellen für Brennkraftmaschinen oder ähnlichen Werkstücken

Info

Publication number: DE102006058710A1
Application number: DE200610058710
Authority: DE
Inventors: Alois Dr.-Ing. Schmid
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2008-06-19

Abstract

Werkzeugmaschine zum Schlagverfestigen der Wangenradienübergänge (6) von hoch belasteten Werkstücken, insbesondere an Hub- (3) und Hauptlagern (3) von Kurbelwellen (1) für Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (16) mit Hilfe von zwei orthogonal aufeinander stehenden linearen CNC-Maschinenachsen X und Y im simultanen Bahnbetrieb mit der durch die Mittenachse der Hauptlager (2) hindurchgehenden Werkstückdrehachse C (13) in sehr kurzer, definierter Entfernung relativ zur zu bearbeitenden Werkstückoberfläche (6) in einer Kreisbahn geführt wird, ohne dass dieses Bewegungssystem für sich eine Werkstückberührung verursacht oder bedingt, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkzeug eine im Vergleich zum Werkstoff des Werkstücks (1) härtere Schlagkugel (51) verwendet wird, die die Verfestigungsbewegung durch Hämmern stehts normal auf die Werkstückoberfläche ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass die relativen Maschinenbewegungen (29) und (36) die Bearbeitungsvorrichtung (16) völlig entkoppelt mit der Bewegung (33) der Schlagkugel (51) zur Einbringung der Druckeigenspannungen in das Werkstück (1) erfolgen, und gekennzeichnet dadurch, dass während der Impulseinbringung in das Werkstück (1) dieses sich in Drehung (12) befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine sowie eine Bearbeitungsvorrichtung zum Verfestigen von hoch belasteten Bauteilen, insbesondere von Radienübergängen an Kurbelwellen für Brennkraftmaschinen oder ähnlicher Bauteile.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind verschiedene Arten von Werkzeugmaschinen und Verfahren zur Bearbeitung von im Betrieb hoch belasteten metallischen Bauteilen, wie zum Beispiel Kurbelwellen bekannt.
Aus DE 15 83 412 ist es beispielsweise bekannt, dass durch eine Oberflächenbehandlung von Eisenwerkstoffen in Form von Glattwalzen, Festwalzen, Kugelstrahlen, Hämmern, u.a., eine Steigerung der Bauteildauerfestigkeit erreicht werden kann. Eine derartige Oberflächenbehandlung erzeugt durch Umformen im Bauteil oberflächennahe Druckspannungen, die zur Erhöhung der Dauerfestigkeit führen. Insbesondere Kurbelwellen in Brennkraftmaschinen sind besonders hohen Biege- und Torsionswechselbeanspruchungen im Betrieb ausgesetzt. Die höchsten Beanspruchungen treten hier einerseits in den Übergängen zwischen den Hauptlagern und den Kurbelwangen sowie andererseits zwi schen den Kurbelwangen und den Hublagern auf. Stand der Technik ist, dass diese Übergänge zur Reduzierung der Kerbwirkung nicht scharfkantig, sondern in Form von Radien ausgebildet werden. Zudem sind verschiedene Verfahren und Produktionsmittel (Maschinen, Anlagen, Einrichtungen, Vorrichtungen, Verfahren und Werkzeuge) bekannt, mit deren Hilfe sich diese Übergangsradien auf mechanischem Wege verfestigen lassen. Alternativ oder ergänzend zu den oben genannten Verfahren, die bei Raumtemperatur durchgeführt werden, kommen thermische Behandlungen, wie beispielsweise Induktionshärten, an Kurbelwellenradienübergängen zur industriellen Anwendung.
Für die Behandlung von Pkw-Kurbelwellen – besonders solcher aus Eisenguss – hat sich das Festwalzen bzw. Rollieren der Radienübergänge im Stand der Technik bewährt. Unter einer hohen statischen Vorspannung drückt jeweils eine Hartmetallrolle auf den Übergangsradius, verformt diesen plastisch und bringt dadurch Druckeigenspannungen in das Werkstück ein. Auf der Gegenseite werden die Verformungskräfte über eine zangenartige Vorrichtung aufgefangen, die sich automatisch öffnen und schließen lässt. Dieses Verfahren ist gut automatisierbar und wird heute in der Großserienfertigung angewandt. Besonders vorteilhaft ist, dass der Ablauf für eine Kurbelwelle vollständig ohne jeglichen Bedienereingriff, das heißt automatisch vor sich geht und eine Vielzahl von Radienübergängen an einer Kurbelwelle gleichzeitig behandelt werden können.
Eine Reihe von anderen bekannten Erfindungen entwickeln den Grundgedanken des Festwalzens weiter. So werden in DE 16 02 657 zum Verfestigen keine Rollen, sondern linear beweglich geführte geradlinige Walzstangen eingesetzt. Alle diese Verfahren arbeiten mit einer statischen Vorspannung; die Umformenergie wird nicht impulsförmig hämmernd sondern gleichmäßig in das Werkstück eingebracht. Dagegen sind aus DE 29 20 889 und DE 30 37 668 Verfahren zum Kaltwalzen bekannt, bei dem die Walzkraft pulsiert. Hier handelt es sich im Gegensatz zu vorliegender Erfindung nach wie vor um einen Walzprozess, bei dem lediglich die statische Walzkraft in pulsierender Form in Abhängigkeit mit der Werkstückdrehung verändert wird. Hier hat die pulsierende Walzkraft vorrangig den Effekt der Verbesserung der Werkstückoberflächenqualität. Aus DE 32 24 268 ist eine Maschine zum Festwalzen der Radienübergänge an Kurbelwellen bekannt, an der sich die Walzwerkzeuge zur Bearbeitung der Hubzapfenradien in angrenzenden Hauptlagern der Kurbelweile über Hebel abstützen. Diese mechanisch anspruchsvolle Lösung ist sehr unflexibel, wenn unterschiedliche Kurbelwellentypen mit unterschiedlichen Zapfengeometrien und Hüben bearbeitet werden sollen.
Mit den gleichen Nachteilen beschreibt DE 33 20 370 eine andere mechanische Zwangsführung des Walzwerkzeuges über zwei einstellbare Hilfskurbelwellen. In DE 102 02 547 wird ein Verfahren beschrieben, zum Zwecke der Optimierung der Kurbelwellenfestigkeit den festgewalzten Radienübergang zwischen Hublager und angrenzender Kurbelwange unsymmetrisch auszuführen. Aus DE 102 02 574 ist es bekannt, dass durch eine gezielte Variation der Festwalzkräfte während der Kurbelwellendrehung ungewollte Verformungen aus vorangegangenen Prozessschritten eliminiert werden können. Mit Hilfe der gesteuerten Walzkräfte können Kurbelwellen bspw. nach einer Wärmebehandlung hierdurch gerichtet werden.
In DE 102 35 957 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem nach dem Festwalzen von Radienübergängen die Lagerstellen an Kurbelwellen zerspanend nachbearbeitet werden, um die Nutzbreite der Lagerstelle zu verbessern. Die Möglichkeit des gleichzeitigen Festwalzens eines Radienübergangs an zwei gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks nach DE 102 45 396 ist besonders für die Bearbeitung dünnwandiger Bauteile-wie bspw. Turbinenschaufeln – interessant. Nach DE 103 08 124 ist ein mehrstufiger Walzvorgang bekannt, bei dem zur Vermeidung von Anrissen die Druckeigenspannungen im Werkstück näher an die Werkstückoberfläche verlagert werden. Hier werden sequenziell mit unterschiedlichen Walzen partielle Zonen von Radienübergängen an Kurbelwellen verfestigt.
Weitere bekannte Erfindungen, wie z.B. DE 102 09 301 , DE 102 22 197 , DE 102 30 526 oder DE 103 18 766 betreffen unterschiedliche Ausführungsformen für Werkzeuge bzw. Vorrichtungen zum Festwalzen der Übergangszonen zwischen den Lagerstellen und Kurbelwangen an Kurbelwellen. Beim Festwalzen werden im Gegensatz zum unten beschriebenen Schlagverfestigen vorgespannte drehbare Rollen als Umformwerkzeuge verwendet. Aus DE 103 40 267 ist bekannt, dass Rollierwerkzeuge infolge ihrer konventionellen Abstützung relativ rasch verschleißen. Deshalb ist hier eine kugelähnliche Lagerung des Festwalzwerkzeugs vorgeschlagen. Hydrostatisch gelagerte Wälzkörper als Walzwerkzeuge nach DE 195 34 631 sollen eine bessere Maßgenauigkeit des Werkstücks nach dem Festwalzen ergeben bzw. eine Begrenzung der Walzkraft ermöglichen. Letzteres ist besonders für dünnwandige Werkstücke von Bedeutung. Für sogenannte Split-Pin-Kurbelwellen werden in DE 103 57 441 zum Festwalzen zwei Gehäuse mit spezieller Abstützung der Walzrollen vorgeschlagen. Eine typische Festwalzmaschine in Scherenbauweise zur gleichzeitigen Bearbeitung mehrerer Übergangsradien an Kurbelwellen ist aus DE 197 22 308 bekannt. Dabei befinden sich die Werkzeugvorrichtungen zur Bearbeitung der Hubzapfenradienübergänge in Aufhängevorrichtungen, welche während der Kurbelwellendrehung dem jeweiligen Kurbelwellenhub folgen.
In DE 43 29 610 und DE 102 00 774 werden Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung von Kurbelwellen beschrieben. Diese Maschinen sind mit verfahrbaren Werkzeugrevolvern und positionierbaren Lünetten ausgerüstet. Mit Hilfe dieser Maschinen können Bearbeitungen an zentrischen Kurbelwellenquerschnittsprofilen ausgeführt werden. Zur Bearbeitung der Hubzapfen wird die jeweilige Kurbelwelle in ihrer Aufnahme um den Betrag des Kurbelhubs relativ zu ihrer ursprünglichen Hauptlagerachse derart außermittig verschoben, dass die Hublagerachse in die Maschinenachse der Drehbewegung der Werkzeugmaschine fällt und somit eine „quasi zentrische" Bearbeitung erfolgen kann. Einen anderen Lösungsansatz zur konstruktiven Ausgestaltung der Festwalzmaschine verfolgt DE 33 33 603 . Hier wird das jeweilige Festwalzwerkzeug über eine relativ aufwändige, mehrgliedrige Gelenkkette positioniert und bei der Bearbeitung geführt. Jedem Hubzapfen ist ein Werkzeugsatz zum Festwalzen zugeordnet.
Die bisher angeführten Lösungen nach dem Stand der Technik betreffen das Kaltverfestigen mit Hilfe rotierender Werkzeuge, sogenanntes Festwalzrollen, die auf das rotierende Werkstück unter hoher statischer Vorspannung drücken und während der Bearbeitung auf der Werkstückoberfläche abwälzen oder gleiten. Die Umformung am Werkstück erfolgt durch hohe Flächenpressung, die die Festigkeit des Werkstoffs des Werkstücks lokal überschreitet. Es sind aber auch thermische Verfahren zur Härtung der Übergangsradien bekannt, z.B. aus DE 22 09 945 . Eine lokal noch höhere Flächenpressung-ohne beim Festwalzen noch höhere Kräfte aufbringen zu müssen – kann auf mechanischem Wege dadurch erreicht werden, dass die Berührfläche zwischen dem Werkzeug und der zu verfestigenden Werkstückzone reduziert wird. In DE 21 52 921 wird dies durch den Einsatz einer Kugel anstatt einer Rolle als Umformwerkzeug erreicht. Eine weitere Steigerung der lokalen Flächenpressung wird dadurch erreicht, dass die Wirkrichtung exakt in die Kurvennormale der Werkstückoberfläche gelegt wird und die Umformkraft impulsförmig in das Werkstück eingeleitet wird. Dem Rechnung tragend wird mit DE 34 38 742 ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, die Dauerfestigkeit von Kurbelwellen durch Hämmern der Radienübergänge zu verbessern. Über eine periodisch niederfrequente, hydraulische Anregung wird eine Hartmetallkugel auf bzw. in den jeweiligen Übergangsradius geschlagen, während die Drehbewegung des angetriebenen Werkstücks kurzeitig unterbrochen wird. Da die Krafteinleitung schlagartig bzw. impulsförmig erfolgt, kann die örtliche Flächenpressung an der Werkstückoberfläche im Vergleich zum Rollieren mit statischer Vorspannung ein Mehrfaches erreichen. Die Wirktiefe der Werkstückverfestigung ist durch das Schlagverfestigen vergleichsweise höher. Durch das Schlagverfestigen erfolgt an der Werkstückoberfläche infolge plastischer Deformationen eine lokale Materialverdrängung. Die durch das impulsförmige Einschlagen/Eindrücken des Werkzeugs in die Werkstückoberfläche sich ergebenden Randkrater werden beim darauffolgenden Schlag wegen der zwischenzeitlich stattgefundenen Drehbewegung des Werkstücks teilweise wieder geglättet. Die zerspanende Feinbearbeitung im Folgeprozess nach dem Schlagverfestigen trägt die Reste dieser Materialanhäufungen ab, ohne dass die durch das Schlagverfestigen in die Kurbeiwelle eingebrachten Druckeigenspannungen in nennenswerter Höhe wieder abgebaut werden. Die Wirktiefe der Schlagverfestigung im Werkstück ist erheblich größer, als die bei der Feinbearbeitung im Folgeprozess abzutragenden Reste der Materialanhäufungen samt Bearbeitungszugabe. Im Vergleich zum Festwalzen bzw. Rollieren der Radienübergänge an Kurbelwellen hat das Schlagverfestigen den Vorteil, dass sowohl die axiale als auch die radiale Wirktiefe der in die Kurbelwelle eingebrachten Druckeigenspannungen höher ausfällt. Dieser Vorteil ist besonders bei Kurbelwellen für leistungsstärkere Lkw-Motoren bedeutsam, da hier an Gusskurbelwellen durch Festwalzen/Rollieren keine ausreichende Dauerfestigkeitssteigerung erzielt werden kann. Deshalb wird das Festigkeitspotenzial des Werkstückwerkstoffs nur durch das Schlagverfestigen optimal ausgenutzt.
Das mit DE 34 38 742 bekannte Verfahren ist aufgrund des Platzbedarfs für die Vorrichtung jedoch nur bei größeren Kurbelwellen anwendbar. Zudem hat es den Nachteil, dass die Vorrichtung für das Verfestigen der Kurbelwellenradien manuell angelegt und montiert werden muss. Nach der Bearbeitung der an eine Lagerstelle angrenzenden Radienübergänge muss die Bearbeitungsvorrichtung manuell gelöst und über der nächsten Lagerstelle manuell montiert werden. Es ist aber auch möglich, mehrere Vorrichtungen an verschiedenen Bearbeitungsstellen an einem Werkstück zu montieren und mehrere Radienübergänge hauptzeitparallel zu bearbeiten. Während der Bearbeitung ist die Bearbeitungsvorrichtung um das Werkstück geschlossen. Die Bearbeitungsvorrichtung wird auf der der Bearbeitungsstelle gegenüberliegenden Seite in einem Prisma von der Lagerstelle selbst geführt bzw. zentriert. Um hier keine Schäden infolge der Reibung zwischen den Abstützflächen und dem Werkstück in die Werkstückoberfläche zu bringen, ist eine gute Schmierung erforderlich. Der Antrieb für die Drehbewegung des Werkstücks arbeitet nicht kontinuierlich sondern schrittweise. Jeweils zwischen den Verfestigungsschlägen erfolgt die Weiterteilung in die nächste Drehposition. Demnach erfordert dieses Verfahren angewendet bei der Kurbelwelle relativ lange Rüstzeiten und bedingt lange Nebenzeiten. Für die Großserienfertigung ist diese Lösung ungeeignet. Zudem ist sie wegen des erforderlichen Schmierstoffeinsatzes als nicht gerade umweltfreundlich zu bezeichnen.
Einen ähnlichen Ansatz wie DE 34 38 742 verfolgt DE 21 52 921 . Hier werden mit wesentlich geringeren impulsförmigen Kräften, die pneumatisch erzeugt werden, die Oberflächenverfestigung sowie die Oberflächenglättung vorgenommen. Kennzeichnend ist hier jedoch, dass wie beim Festwalzen mit einer statischen Vorspannkraft gearbeitet wird, der eine vibrierende, radial auf die Werkstückoberfläche gerichtete Kraft überlagert ist. Das Werkzeug zum Verfestigen des Werkstücks ist eine drehbar gelagerte Kugel, die in einem Halter aufgenommen ist. Der Halter wiederum ist am Plansupport bzw. Träger einer konventionellen Drehmaschine befestigt. Diese Lösung eignet sich nicht zum Bearbeiten der Übergangsradien an den Hublagern in einer Aufspannung mit den Übergangsradien an Hauptlagern, da das Werkzeug bei zentrischer Einspannung (entlang der Hauptlagerachse) der Bewegung der Kurbelwellenhublager während der Werkstückdrehung nicht folgen kann.
Nach heutigem Stand der Technik ist keine großserientaugliche Werkzeugmaschine zum Schlagverfestigen der Radienübergänge an Kurbelwellen bekannt.
Gegenstand und Aufgabe der erfindungsgemäßen Lösung Gegenüber den beschriebenen Lösungen nach dem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeugmaschine und eine Bearbeitungsvorrichtung zum Verfestigen von Kurbelwellen und dergleichen vorzuschlagen, welche kostengünstiger und effizienter sind und besonders für den Einsatz in der Großserienfertigung geeignet sind bei Vermeidung der beschriebenen Nachteile des Standes der Technik.
Diese Aufgabe wird mit einer Maschine nach Anspruch 1 und einer Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das zu bearbeitende Werkstück 1 ist eine Kurbelwelle für eine bekannte Brennkraftmaschine. Im Allgemeinen besteht die Kurbelwelle 1 einteilig aus einer Mehrzahl von Hauptlagern 2, und dazu radial exzentrisch um das Maß h sowie auch in axiale Richtung versetzten Hublagern 3 mit dem Durchmesser d. In axialer Richtung befindet sich zwischen den Hauptlagern 2 und den Hublagern 3 jeweils eine Kurbelwange 4. An den beiden Enden 5 weist die Kurbelwelle 1 entweder einen Zapfen oder Flansch auf.
Die Bearbeitungsaufgabe besteht einerseits im Schlagverfestigen der beiden Radienübergänge 6 zwischen einem Hublager 3 und den angrenzenden Kurbelwangen 4 sowie andererseits im Schlagverfestigen der Radienübergänge 6 zwischen einem Hauptlager 2 und der angrenzenden Kurbelwange 4 in derselben Werkstückaufspannung in unmittelbaren Folgeprozessen. Hierfür wird erfindungsgemäß eine neue Werkzeugmaschine samt zugehörigen Bearbeitungsvorrichtungen vorgeschlagen, die nachfolgend beschrieben sind:
Die mit Hilfe bekannter Verfahren wie z.B. Drehen, Fräsen oder Drehräumen zerspanend vorbearbeitete Kurbelwelle 1 wird an einem Ende 5 in einer bekannten, drehbaren Spannvorrichtung 7 bzw. am anderen Ende 5 in einer vorbearbeiteten Zentrierbohrung am Reitstock 8 auf der Zentrierspitze 9 aufgenommen. Die Werkstückspannvorrichtung 7 nach 1 ist im Werkstückspindelstock 10 drehbar gelagert. Die Werkstückspannvorrichtung 7 ist als Drehmitnehmer ausgebildet, der von einem drehzahlvariabel regelbaren Antriebsmotor 11 angetrieben wird. Somit wird die Kurbelwelle 1 in die Drehbewegung 12 um die Hauptlagerachse 13 versetzt (CNC-Maschinenachse C). Während der Bearbeitung der Kurbelwelle 1 dreht sich diese kontinuierlich. Der Werkstückspindelstock 10 samt Antriebsmotor 11 ist zusammen mit dem Reitstock 8 fest auf einem im Maschinengestell 14 längsverschiebbaren Maschinentisch 15 aufgebaut. Die Verschiebung des Tisches 15 dient der axialen Positionierung g der Kurbelwelle 1 relativ zu den Bearbeitungs vorrichtungen 16 bzw. 17 und erfolgt über den Kugelgewindetrieb 18, welcher über eine NC-Positionierachse (elektronisch geregelter Servomotor) 19 angetrieben wird (Maschinenachse Z). Während der Bearbeitung der Kurbelwelle 1 ist der Maschinentisch 15 im Maschinengestell 14 fixiert und verharrt unbewegt in seiner Position. Zur Abstützung großer Werkstücke 1 kann auf dem Maschinentisch 14 eine bekannte Lünette 20 angeordnet sein. In einer anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführung kann anstelle des Reitstocks 8 samt Zentrierspitze 9 eine zweite, drehbare Werkstückspannvorrichtung 7 sowie gegebenenfalls ein zweiter Werkstückspindelstock 10 mit Antriebsmotor 11 auf dem Maschinentisch 15 befestigt sein. Im Falle des Antriebs der Kurbelwelle 1 an beiden Enden 5 über insgesamt zwei elektronisch geregelte Antriebe 11 müssten diese über ein bekanntes Elektronisches Getriebe mit einander zwangsgekoppelt sein.
In der Folge wird über eine Steuerungsfunktion die zu bearbeitende Kurbelwelle 1 mit Hilfe des Drehantriebs (11) in eine langsame, kontinuierliche Drehbewegung um die Hauptlagerachse 13 versetzt. Die Drehzahl liegt typischerweise in der Größenordnung von etwa 1 bis 5 Umdrehungen pro Minute.
Nach 2 sind an zwei gegenüberliegenden Seiten des Werkstücks 1 auf dem Maschinengestell 14, quer zur Führung des Maschinentisches 15, mit dem Maschinengestell 14 zwei lineare Horizontalführungen 21 und 22 fest verbunden. Für die zeichnerisch nicht dargestellte Maschinensteuerung bildet die vordere Horizontalführung 21 die Bewegungsrichtung der CNC-Maschinenachse X ab, wogegen die hintere Horizontalführung 22 die Bewegungsrichtung der CNC-Maschinenachse U vorgibt. Auf den Horizontalführungen 21 bzw. 22 ist jeweils ein Maschinenschlitten 23 bzw. 24 beweglich angeordnet ist. Die Maschinenachsen X sowie U schließen mit der Maschinenachse Z sowie mit der Werkstücklängsachse 13 den Winkel von 90 Grad ein. Alle drei Maschinenachsen X, U, Z liegen in der gleichen horizontalen Ebene. Die Verschiebung bzw. Positionierung des jeweiligen Maschinenschlittens 23 bzw. 24 auf dem Maschinengestell 14 erfolgt relativ zum Werkstück 1 in radiale Richtung über bekannte Kugelgewindetriebe 25 und 26, welche wiederum über die elektronisch geregelten Servo-Antriebe 27 bzw. 28 angesteuert werden. Beim Werkstückwechsel(Ein- und Auslegen des Werkstücks 1 in die bzw. aus der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine) sind die Maschinenschlitten 23 bzw. 24 in den Randlagen positioniert (vorne bzw. ganz hinten) und die Zentrierspitze 9 ist über eine bekannte hydraulische Aktivierung zurückgezogen.
Nach dem Spannen des Werkstücks 1 in der Spannvorrichtung 7 und im Reitstock 8 werden vor der eigentlichen Bearbeitung des Werkstücks 1 die Maschinenschlitten 23 bzw. 24 mit Eilgang in radiale Richtung an die zu bearbeitende Werkstückzone 6 herangeführt. Diese in der zeichnerisch nicht dargestellten Maschinensteuerung programmierte Vorpositionierung der Maschinenschlitten 23 und 24 erfolgt derart, dass die Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 die Bearbeitungszone 6 knapp nicht berühren. Anstatt der wegprogrammierten horizontalen Vorpositionierung der Maschinenschlitten 23 und 24 kann die Vorpositionierung auch auf Werkstückkontakt hin erfolgen, wobei der Werkstückkontakt beispielsweise durch die von Rundschleifmaschinen her bekannte steuerungstechnische Auswertung des Körperschallsignals mit Hilfe eines zeichnerisch nicht dargestellten seismischen Aufnehmers erfolgt. In diesem Fall erfolgt nach dem Kontakt der Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 ein definierter, weggesteuerter, radialer Rückzug weg vom Werkstück 1, so dass zunächst keine Berührung der Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 mit dem Werkstück 1 mehr vorliegt. Die zeichnerisch nicht dargestellte zentrale Maschi nensteuerung sorgt nun bei der Bearbeitung der Radienübergänge 6 an Hublagern 3 dafür, dass im simultanen Bahnbetrieb entsprechend der aktuellen Drehlage α des sich um die Hauptlagerachse 13 drehenden Werkstücks 1 (Ansteuerung der Werkstückdrehachse C und Auswertung der aktuellen Drehlagenposition α nach einer vorgegebenen mathematischen Abhängigkeitsfunktion die beiden Maschinenschlitten 23 und 24 über die Antriebe 27 und 28 mit harmonischen, nach der trigonometrischen Kosinusfunktion pendelförmigen Bewegungen 29 und 30 in radiale Richtung zum Werkstück 1 verschoben werden. Während der Bearbeitung des Werkstücks 1 weisen die beiden Maschinenschlitten 23 bzw. 24 für die Dauer einer halben Werkstückumdrehung den gleichen horizontalen Abstand λ zu einander auf.
Theoretisch könnten jetzt die beiden Maschinenschlitten 23 und 24 mechanisch starr mit einander gekoppelt sein. Da sich jedoch der Bearbeitungsablauf in der Regel über mehrere Werkstückumdrehungen erstreckt und zur Überwindung des gesamten Bearbeitungsaufmaßes a eine zusätzliche, überlagerte, radiale Zustellbewegung 31 bzw. 32 erforderlich ist, ist die mechanisch starre Kopplung der Maschinenschlitten 23 und 24 nicht sinnvoll. Zudem wären auch im Falle der mechanisch starren Kopplung die Werkstückwechselbedingungen erheblich erschwert. Den während der Bearbeitung ablaufenden pendelförmigen Linearbewegungen 29 und 30 der beiden Maschinenschlitten 23 und 24 werden die radialen Zustellbewegungen 31 und 32 für die Bearbeitungsvorrichtungen 16 bzw. 17 relativ zur Werkstückoberfläche überlagert. Dies führt während der Bearbeitung nach jeder halben Werkstückdrehung effektiv zur Verringerung der horizontalen Distanz A. der beiden Maschinenschlitten 23 und 24 zu einander. Für die Bearbeitungsvorrichtung 16 stellt sich das horizontale Abstandsmaß ξ für die Bearbeitungsvorrichtung 17 das horizontale Abstandsmaß x zur Werkstückdrehachse 13 ein. Die Überlagerung der Bewegungen 29 und 31 sowie 32 und 33 erfolgt durch die Steuerungssoftware maschinenintern. Wie unten noch gezeigt wird, sind die eigentlichen, außerhalb des simultanen Bahnbetriebes stattfindenden mechanischen Schlagbewegungen 33 – erzeugt durch die Bearbeitungsvorrichtungen 16 bzw. 17 – den simultanen, pendelförmigen Bahnbewegungen 29 und 30 zur horizontalen Führung der Bearbeitungswerkzeuge 16 und 17 sowie den Zustellbewegungen 31 und 32 überlagert.
Während der Bearbeitung von Radienübergängen 6 an Hauptlagern 2 findet keine horizontale Pendelbewegung 29 bzw. 30 der Maschinenschlitten 23 und 24 statt. Hier erfolgen einzig die radialen Zustellbewegungen 31 und 32 in Richtung der Drehachse 13 am Ende jeder halben Werkstückdrehung, die lediglich noch von den unten beschriebenen Schlagbewegungen 33 überlagert werden.
Vorteilhaft ist, die Maschinenschlitten 23 und 24 baugleich auszuführen. Jeder Maschinenschlitten 23 bzw. 24 trägt eine mit diesem fest verbundene vertikale Führung 34 bzw. 35, in der die Bearbeitungsvorrichtung 16 bzw. 17 zur Bearbeitung der Radienübergänge 6 vertikal verschieb- und positionierbar geführt ist. Die Vertikalbewegungen 36 und 37 der beiden Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 erfolgen gleichermaßen und synchron. Dazu steuert die zeichnerisch nicht dargestellte zentrale Maschinensteuerung in Abhängigkeit der aktuellen Drehlage des Werkstücks 1 die elektronisch geregelten Servoantriebe 38 bzw. 39 an, welche wiederum über bekannte Kugelgewindetriebe 40 und 41 die vertikalen Linearbewegungen 36 der CNC-Maschinenachse Y bzw. 37 der CNC-Maschinenachse V ausführen. Bei der Bearbeitung von Radienübergängen 6 an Hublagern 3 sind auch die Vertikalbewegungen 36 und 37 harmonisch und pendelförmig, jedoch zu den Horizontalbewegungen 29 bzw. 30 der Maschinenschlitten 23 und 24 um 90 Grad phasen verschoben. Es sind trigonometrische, sinusförmige Bewegungen in Abhängigkeit zur aktuellen Werkstückdrehlage α.
Der von den Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 maximal zurück zu legende vertikale Weg während einer Werkstückumdrehung entspricht dem Hub 2·h der Kurbelwelle 1. Dagegen sind während der Bearbeitung der Radienübergänge 6 an Hauptlagern 2 die vertikalen Maschinenachsen Y bzw. V nicht bewegt, sondern stillstehend und in ihrer Lage fixiert. In diesem Fall sind die Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 quasi starr mit den Maschinenschlitten 23 bzw. 24 verbunden. In einer anderen, nicht dargestellten Bauweise sind die beiden Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 in Portalbauweise derart fest mechanisch mit einander gekoppelt, dass jede Vertikalbewegung gemeinsam ausgeführt wird. In dieser Ausführung entfällt eine Maschinenachse: der Steuerungsaufwand für die zwei vertikalen CNC-Maschinenachsen Y und V reduziert sich auf eine einzige vertikale CNC-Maschinenachse Y oder V, die dann beide Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 gemeinsam in vertikaler Richtung führt.
Aus Sicht der Kurbelwelle 1 sind die beiden Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Die zeichnerisch nicht dargestellte zentrale Maschinensteuerung sorgt letztendlich dafür, dass simultan zur Werkstückdrehung 12 im CNC-Bahnbetrieb die Maschinenachsen X und U, sowie Y und V in Abhängigkeit zur aktuellen Werkstückdrehlage α derart geführt werden, dass die Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 stets normal zur Oberfläche des Werkstücks 1 hin gerichtet sind. Die beiden Bearbeitungsvorrichtungen 16 bzw. 17 werden durch die oben beschriebene orthogonale Anordnung und steuerungstechnische Zwangskopplung der Maschinenachsen der zu bearbeitenden Oberfläche des Hublagers 3 in einer kreisförmigen Bewegung nachgeführt. Diese kreisförmige Bewegung entsteht durch die Überlagerung der Bewegungen 29 mit 36 sowie 30 mit 37. Steuerungstechnisch ist die sich kontinuierlich drehende Werkstückdrehachse C die CNC-Führungsachse für die o.g. CNC-Linearachsen X, U, Y und V dieser erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine. Aus Bearbeitungsgründen kann es vorteilhaft sein, das Werkstück 1 nicht konstant, sondern mit einer variablen Winkelgeschwindigkeit zu drehen, was jedoch an der steuerungstechnischen Zwangskopplung der Maschinenachsen C, X, U, Y und V nichts ändert.
Die beiden Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 sind identisch aufgebaut und somit baugleich. Nach 3 besteht jede Bearbeitungsvorrichtung 16 bzw. 17 im Wesentlichen aus dem Gehäuse 42, dem dort angeschraubten Bearbeitungskopf 43 und dem an das Gehäuse 42 angeschraubten Gehäusedeckel 44. In dem Gehäuse 42 horizontal beweglich geführt befindet sich die Pinole 45. Aus der Drehbewegung eines rotierenden Exzenters 46 wird die periodische, horizontale, Schlagbewegung 33 der Pinole 45 auf das Werkstück 1 abgeleitet. Der Exzenter 46 wiederum befindet sich stückfest mit der Antriebswelle 47 verbunden, die entweder direkt über den Elektromotor 48 oder über ein zeichnerisch nicht dargestelltes Zwischengetriebe in Drehung versetzt wird. An dem dem Werkstück 1 zugewandten Ende der Pinole 45 sind die eigentlichen Bearbeitungswerkzeuge 49 im Bearbeitungskopf 43 geführt. Jede der beiden Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 verfügt über zwei Bearbeitungswerkzeuge 49 für die gleichzeitige Bearbeitung des linken und des rechten Radienübergangs 6 einer Lagerstelle der Kurbelwelle 1. Ein einzelnes Bearbeitungswerkzeug 49 besteht im Wesentlichen aus dem Schlagstößel 50 und der Schlagkugel 51, welche in die Oberfläche des Werkstücks 1 eindringt, das Werkstück 1 in der Bearbeitungszone 6 lokal plastisch verformt und dadurch Druckeigenspannungen in die Werkstückoberfläche einbringt.
Die Schlagkugel 51 ist aus einem hochfesten, zähen Werkstoff, vorzugsweise aus Hartmetall oder gehärtetem Stahl, gefertigt. Hier ist es nicht von Bedeutung, ob die Schlagkugel 51 auf den Schlagstößel 50 unbeweglich aufgelötet ist oder in einer zeichnerisch nicht dargestellten Art in einer Pfanne drehbar im Schlagstößel 50 gehalten wird. Die Pinole 45 verfügt an der dem Werkstück 1 zugewandten Seite über ein konisches bzw. dachförmig abgeflachtes Ende, an dem die beiden Bearbeitungswerkzeuge 49 anliegen. Während der aus der Drehung des Exzenters 46 mit der Exzentrizität e abgeleiteten horizontalen Schlagbewegung 33 der Pinole 45 ändern die beiden Schlagkugeln 51 einer Bearbeitungsvorrichtung 16 bzw. 17 ihren Abstand zu einander in der Art, dass sie nicht rein radial sondern aufgrund ihrer schrägen Führung auch in axiale Richtung auf den zu bearbeitenden Kurbelwellenradienübergang 6 treffen. Durch das Eindringen der Schlagkugeln 51 in die Werkstückoberfläche entstehen Hinterstiche im Radienübergang 6. Kennzeichnend für diese Erfindung ist, dass die Exzentrizität e des Exzenters 46 und somit der Hub der Pinole 45 bzw. der Hub eines Schlagstößels 50 wenige Zehntel Millimeter bis wenige Millimeter beträgt. Die Länge der horizontalen Hubbewegung 2e der Pinole 45 zur Ausführung der Schlagbewegung 33 durch das Bearbeitungswerkzeug 49 und die über die Drehzahl des elektrischen Antriebmotors 48 einstellbare Schlagfrequenz sind völlig unabhängig von den horizontalen Bewegungen 29 und 31 bzw. 30 und 32 der Maschinenschlittens 23 bzw. 24 (Maschinenachsen X bzw. V), welche die Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 lediglich entlang des zu bearbeitenden Übergangsradius 6 führen bzw. im kontinuierlichen Bahnbetrieb positionieren. Die Druckfedern 52 und 53 sorgen dafür, dass die Schlagstößel 50 stets an der jeweiligen Pinole 45 sowie die jeweilige Pinole 45 stets am Exzenter 46 anliegen. Damit wird der Rückzug der Bearbeitungswerkzeuge 49 nach einem Schlaghub 33 sichergestellt.
Häufig sind die Breiten aller Hauptlager 2 und Hublager 3 der Kurbelwelle 1 konstruktiv gleich vorgegeben, so dass alle Übergangsradien 6 sequenziell nach einander ohne umrüstbedingten Maschinenstopp bearbeitet werden können. Für die Bearbeitung unterschiedlicher Lagerbreiten müssen jedoch im Bearbeitungskopf 43 die Schlagstößel 50 gegen andere, mit entsprechender Länge (Distanz g zwischen Schlagkugel 51 und Pinole 45) ausgetauscht werden. Ebenso müssen für andere dimensionale Größen der Radien in den Übergangszonen 6 die Bearbeitungswerkzeuge 49 gegen andere, mit entsprechenden Durchmessern der Schlagkugeln 51 ausgetauscht werden. Die Größe der Exzentrizität e des Exzenters 46 auf der Antriebswelle 47 bestimmt den Schlaghub für die Schlagkugeln 51. Der Schlaghub wird im Allgemeinen auch beim Umrüsten von einem Werkstücktyp auf einen anderen nicht verändert. Soll der Schlaghub dennoch verändert werden, ist ein entsprechender Austausch der Antriebswelle 47 erforderlich. In einer zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsvariante ist eine stufenlose Verstellung der Exzentrizität und somit des Schlaghubs mit Hilfe des bekannten Doppelexzenters möglich. Dort befindet sich im Inneren eines Exzenters 46 ein weiterer Exzenter mit der gleichen Exzentrizität e. Durch gegenseitiges Verdrehen der beiden Exzenter gegen einander kann beim Rüsten der Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 mit Hilfe einer entsprechenden Verstelleinrichtung die Exzentrizität im Bereich von null bis zum doppelten Betrag der Exzentrizität e eines einzelnen Exzenters 46 verstellt werden, ohne die Antriebswelle 47 austauschen zu müssen. Der Elektromotor 48 treibt über die Antriebswelle 47 den Exzenter 46 an. Die Schlagfrequenz der Pinole 45 ergibt sich aus der Drehzahl n des Elektromotors 48, die über die zeichnerisch nicht dargestellte Maschinensteuerung eingestellt werden kann. Typische Schlagfrequenzen der Pinole 45 liegen im Bereich unter 1000 pro Minute. Der Elekt romotor 48 der vorderen Bearbeitungsvorrichtung 16 und der Elektromotor 48 der hinteren Bearbeitungsvorrichtung 17 sind über ein bekanntes, sog. Elektronisches Getriebe derart mit einander synchronisiert, dass alle vier Schlagkugeln 51 gleichzeitig auf das Werkstück 1 schlagen. Da sich die beiden Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 in gleicher Z-Achsenposition einander gegenüber liegend befinden, ist die Folge, dass sich die durch die Bearbeitung hervorgerufenen Reaktionskräfte gegenseitig aufheben und sich die Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 gegenseitig abstützen. Damit wird die Gefahr des Verzugs der Kurbelwelle 1 als Folge der Bearbeitung weitgehend vermieden.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass sich durch die von zwei Seiten her gleichzeitig geführte Bearbeitung die gesamte Bearbeitungszeit halbiert. Die radiale Zustellung 31 bzw. 32 der beiden Bearbeitungsvorrichtungen 16 bzw. 17 bezogen auf die Werkstückdrehachse 13 kann somit bereits nach einer halben Werkstückumdrehung vorgenommen werden. Der gesamte Zustellbetrag a kann auf mehrere Werkstück(-halb-)umdrehungen hinweg verteilt werden. Für die Großserienfertigung wird das ideale Werkstückgesamtaufmaß a aus Vorversuchen ermittelt bzw. aus Erfahrungswerten abgeleitet. Die Maschinensteuerung sorgt für eine exakte Reproduktion der Bewegungsabläufe für alle Werkstücke einer Großserienfertigung durch die Winkel- bzw. Wegsteuerung der CNC-Maschinenachsen. Die Entkopplung der Schlagbewegungen 33 der Bearbeitungswerkzeuge 49 von den Führungsbewegungen 29 bis 32 der gesamten Bearbeitungsvorrichtungen 16 bzw. 17 erlaubt eine kontinuierliche Drehbewegung 12 des Werkstücks 1 während der Bearbeitung.
m Gegensatz zu DE 34 38 742 ist kein schrittweises Unterbrechen der Drehbewegung 12 zur Ausführung des Verfestigungsschlags mit anschließendem Weiterteilen in die nächste Drehlagenposi tion erforderlich. Da je nach Anforderungen an die betriebsmäßige Festigkeit der Kurbelwelle 1 es nicht immer erforderlich ist, alle Zonen eines Radienübergangs 6 über den gesamten Umfang mit gleicher Intensität zu bearbeiten, kann es von Vorteil sein, die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine mit einem drehgeschwindigkeitsvariablen Antrieb 11 auszustatten. In den Radienübergangszonen 6, wo die Festigkeitsanforderungen geringer sind, kann während der Bearbeitung das Werkstück 1 schneller gedreht werden. Die Bearbeitungszeit reduziert sich. Die plastisch verformten Druckpunkte auf der Werkstückoberfläche bilden sich weiter voneinander entfernt aus.
Kennzeichnend für die erfindungsgemäße Anordnung der Maschinenachsen (X, U, Y, V) im Zusammenwirken mit der Anordnung der Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 ist, dass zum Zeitpunkt der Druckimpulswirkung der Schlagkugeln 51 auf die Werkstückoberfläche 6 in der Werkstücktangentialebene keine durch die Maschinenkinematik bedingte Relativbewegung zwischen einer Schlagkugel 51 und der Werkstückoberfläche 6 stattfindet. Dadurch unterscheidet sich die erfindungsgemäße Lösung erheblich von den bekannten Festwalzmaschinen. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist der äußere Einsatz von Schmierstoffen nicht erforderlich (Trockenbearbeitung), wodurch ökologischen Produktionsaspekten Rechnung getragen wird.
Eine andere Art der Abstützung des Werkstücks 1 während der Bearbeitung zeigen 4 und 5. Hier wird anstelle der rückwärtigen Bearbeitungsvorrichtung 17 eine um die Achse 54 frei drehbare Abstützrolle 55 vorgesehen. Damit vereinfacht sich der Maschinenaufbau. Eine weitere erhebliche Vereinfachung des Maschinenaufbaus durch Reduzierung der simultan anzusteuernden Maschinenachsen lässt sich dadurch erreichen, indem die Abstützrolle 55 nicht über zwei orthogonale CNC- Maschinenachsen U und V, sondern wie in 6 dargestellt über lediglich eine einzige horizontale Maschinenachse W angesteuert wird. Hier ist die Achse 54 fest mit dem Maschinenschlitten 24 verbunden. Über eine entsprechende Software in der zentralen Maschinensteuerung muss sichergestellt sein, dass die Abstützrolle 55 eine, dem bekannten Pendelhubschleifen der Schleifscheibe vergleichbare Bewegung 56 entlang der Maschinenachse W, relativ zur Werkstückdrehung 12 und gleichzeitig relativ zu den Bewegungen 29 und 36 der Bearbeitungsvorrichtung 16, ausführt. Das CNC-Pendelhubschleifen ist eine bekannte Bearbeitungstechnologie für die Hart/Feinbearbeitung der Kurbelwellenhublager 3. Anstatt durch eine Abstützrolle 55 kann das Werkstück 1 in einem zeichnerisch nicht dargestellten Prisma abgestützt werden, welches in oben beschriebener Weise der Werkstückoberfläche 6 durch zwei bzw. eine CNC-Achse(n) nachgeführt wird. In diesem Fall muss für eine ausreichende Schmierung zwischen dem Werkstück 1 und dem Stützprisma gesorgt werden.
Bei der Bearbeitung von verhältnismäßig großen Kurbelwellen kann auf eine gezielte Abstützung der Kurbelwelle 1 zur Aufnahme der freien Kräfte, die sich aus den Druckimpulsen der Schlagkugel 51 auf das Werkstück 1 ergeben, ohnehin verzichtet werden. Die Masse der zu bearbeitenden Kurbelwelle 1 in Relation zum Bearbeitungswerkzeug 49 samt Pinole 45 gesetzt, beträgt bei großen Nutzfahrzeugkurbelwellen mehr als 100 zu 1. Zudem ist die Kurbelwelle 1 bei der Bearbeitung fest gespannt und der weitaus größte Teil der in das Werkstück 1 eingebrachten impulsförmigen Schlagenergie wird unmittelbar in lokalen plastischen Verformungen abgeführt. Die große Werkstückmasse, besonders bei Gusswerkstoffen, dämpft den nicht in Verformungsenergie umgesetzten Restimpuls. Deshalb setzt die erfindungsgemäße Lösung nicht zwingend voraus, dass in jedem Fall eine Werkstückabstützung auf der Gegenseite der Bearbeitungsstelle vorhanden sein muss. Ebenso wenig setzt die Erfindung nicht in jedem Fall voraus, dass zwei Radienübergänge durch zwei Schlagkugeln gleichzeitig bearbeitet werden. Durch eine entsprechende konstruktive Auslegung der Bearbeitungsvorrichtung 16, oder durch eine schräge Anstellung der Bearbeitungsvorrichtung 16, oder durch eine – wie in 7 angedeutet – zusätzliche NC-Positionier-Schwenkachse (B-Achse) auf dem Maschinengestell 14 für die Führung des Maschinentisches 15, sind Bearbeitungsvorrichtungen 16 mit nur einer Schlagkugel 51 realisierbar. Dies hat allerdings den Nachteil, dass die beiden Radienübergänge 6 nicht zeitgleich, sondern sequenziell nach einander bearbeitet werden und sich dadurch die gesamte Bearbeitungszeit verdoppelt.
In 3 sind Bearbeitungsvorrichtungen 16 und 17 skizziert, bei denen die Antriebswellen 47 parallel zur Werkstückdrehachse 13 und somit parallel zur Maschinenhauptachse Z gerichtet sind. Dagegen ist in 8 eine andere Lösungsmöglichkeit angedeutet, bei der die Antriebsachse für einen Exzenter (46) gegenüber der Darstellung in 3 um 90 Grad gedreht ist und in vertikale Richtung verläuft. In einer anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Variante wird die Hubbewegung für die Bearbeitungswerkzeuge 49 über eine bekannte Kurbelschleife von der Antriebswelle 47 abgegriffen.
Neben der elektromechanischen Krafteinleitung nach 3 und 7 über Elektromotor 48, Antriebswelle 47, Exzenter 46, Pinole 45 und Bearbeitungswerkzeug 49 bestehen auch andere Möglichkeiten zur Erzeugung der Schlagbewegung 33 und der mechanischen Schlagkraft. Die impulsförmige Einbringung von Druckeigenspannungen in die Werkstückoberfläche 6 als Folge lokaler plastischer Verformungen kann erfindungsgemäß alternativ auch unter Verwendung bekannter Piezo-Aktoren 57 erfolgen. Verdeutlicht ist dies in 9, welche eine entspre chende Bearbeitungsvorrichtung 16 schematisch zeigt. Am Gehäusedeckel 44 sind zwei Pakete von jeweils vier hinter einander angeordneten bekannten Piezo-Aktoren 57 befestigt. Beim Anlegen einer niederfrequenten Wechselspannung an die elektrischen Anschlüssen 58 ändert jeder Piezo-Aktor 57 in bekannter Weise periodisch seine Ausdehnung. Durch die hintereinander liegende Anordnung in der dargestellten Paketform addieren sich die Ausdehnungen der einzelnen Aktoren 57 innerhalb eines Paketes zur Gesamtausdehnung des Pakets. Die Aktoren 57 wirken auf die Hebel 59, welche in den Zapfen 60 schwenkbar gelagert sind und die Schwenkbewegung (61) ausführen. Die Hebel 59 haben die Aufgabe, die Ausdehnungen der Piezo-Aktorenpakete mechanisch zu vergrößern und derart zu übersetzen, dass sich ein Schlaghub äquivalent zur oben beschriebenen Exzenteranregung einstellt. Die Hebel 59 übertragen die von den Aktoren 57 erzeugte Schlagenergie auf die Pinole 45, welche in oben beschriebener Weise die Schlagenergie über die Bearbeitungswerkzeuge 49 auf die Bearbeitungsstelle 6 des Werkstücks 1 weiter leitet.
Die Abbildungen der nachfolgenden Zeichnungen von beispielhaften Ausführungsbeispielen der Erfindung zeigen folgende Darstellungen:
1: Eine horizontale Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine;
2: eine Querschnittsansicht durch die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine;
3: eine Schnittansicht durch die erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtungen (16) und (17) mit Blickrichtung von oben auf das Werkstück (1);
4: eine Abstützung des Werkstücks (1) durch die mit zwei CNC-Achsen geführte Abstützrolle (55) in vertikaler Querschnittsansicht;
5: eine Abstützung des Werkstücks (1) durch die mit zwei CNC-Achsen geführte Abstützrolle (55) in horizontaler Querschnittsansicht;
6: eine Abstützung des Werkstücks (1) durch die mit einer CNC-Achse geführte Abstützrolle (55) im sog. Pendelhubverfahren in vertikaler Querschnittsansicht;
7: eine beispielhafte Bearbeitung mit nur einem Bearbeitungswerkzeug (49) an schräg angestelltem Werkstück (1) in horizontaler Querschnittsansicht;
8: eine Bearbeitungsvorrichtung (16) mit senkrechter Antriebswelle (47) in horizontaler Querschnittsansicht; und
9: eine Bearbeitungsvorrichtung (16) mit Piezo-Aktoren (57) zur Einleitung des Schlaghubs (33) nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in horizontaler Querschnitt
In den Figuren der Zeichnungen sind die Bauteile und Einzelheiten der Ausführungsbeispiele der Erfindung entsprechend der folgenden Aufstellung bezeichnet:

1: Werkstück (zu bearbeitende Kurbelwelle)
2: Kurbelwellenhauptlager
3: Kurbelwellenhublager
4: Kurbelwange
5: Kurbelwellenzapfen bzw. Kurbelwellenflansch
6: Radienübergang (Bearbeitungsstelle)
7: Werkstückspannvorrichtung
8: Reitstock
9: Zentrierspitze
10: Werkstückspindelstock
11: elektrischer Servoantrieb für Werkstückspindel (C-Achse)
12: Werkstückdrehbewegung (C-Achse)
13: Hauptlagerachse (Werkstücklängsachse, Werkstückdrehachse)
14: Maschinegestell
15: Maschinentisch
16: vordere Bearbeitungsvorrichtung
17: rückwärtige Bearbeitungsvorrichtung
18: Kugelgewindetrieb zur Tischpositionierung
19: elektr. Positionier- bzw. Stellmotor für Tischpositionierung
20: Lünette
21: vordere Horizontalführung
22: rückwärtige Horizontalführung
23: Maschinenschlitten für horizontale Positionierung der
: vorderen Bearbeitungsvorrichtung
24: Maschinenschlitten für horizontale Positionierung der
: rückwärtigen Bearbeitungsvorrichtung
25: Kugelgewindetrieb für horizontale Positionierung der
: vorderen Bearbeitungsvorrichtung
26: Kugelgewindetrieb für horizontale Positionierung der rückwärtigen Bearbeitungsvorrichtung
27: Servoantrieb zur horizontalen Positionierung der vorderen Bearbeitungsvorrichtung
28: Servoantrieb zur horizontalen Positionierung der rückwärtigen Bearbeitungsvorrichtung
29: horizontale Linearbewegung des vorderen Maschinenschlttens entlang X-Achse; Maß ξ
30: horizontale Linearbewegung des hinteren Maschinenschlittens entlang U-Achse, Maß χ
31: Zustellbewegung des vorderen Maschinenschlittens
32: Zustellbewegung des hinteren Maschinenschlittens
33: Bewegung des Schlagwerkzeugs
34: vordere Vertikalführung rückwärtige Vertikalführung
36: vertikale Linearbewegung der vorderen Bearbeitungsvorrichtung entlang Y-Achse; Maß η
37: vertikale Linearbewegung der hinteren Bearbeitungsvorrichtung entlang V-Achse, Maß η
38: Servoantrieb zur vertikalen Positionierung der vorderen Bearbeitungsvorrichtung
39: Servoantrieb zur vertikalen Positionierung der rückwärtigen Bearbeitungsvorrichtung
40: Kugelgewindetrieb für vertikale Positionierung der vorderen Bearbeitungsvorrichtung
41: Kugelgewindetrieb für vertikale Positionierung der rückwärtigen Bearbeitungsvorrichtung
42: Gehäuse der Bearbeitungsvorrichtung
43: Bearbeitungskopf
44: Gehäusedeckel
45: Pinole
46: Exzenter
47: Antriebswelle
48: Elektromotor
49: Bearbeitungswerkzeug
50: Schlagstößel
51: Schlagkugel
52: Druckfeder für Rückzug eines Bearbeitungswerkzeuges
53: Druckfeder für Rückzug der Pinole
54: Achse
55: Abstützrolle
56: Pendelbewegung der Stützscheibe
57: Piezo-Aktor
58: elektrischer Anschluss
59: Hebel
60: Zapfen
61: Schwenkbewegung des Hebels

Claims

Werkzeugmaschine zum Schlagverfestigen der Wangenradienübergänge (6) von hoch belasteten Werkstücken, insbesondere an Hub-(3) und Hauptlagern (2) von Kurbelwellen (1) für Brennkraftmaschinen dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (16) mit Hilfe von zwei orthogonal aufeinander stehenden linearen CNC-Maschinenachsen X und Y im simultanen Bahnbetrieb mit der durch die Mittenachse der Hauptlager (2) hindurchgehenden Werkstückdrehachse C (13) in sehr kurzer, definierter Entfernung relativ zur zu bearbeitenden Werkstückoberfläche (6) in einer Kreisbahn geführt wird, ohne dass dieses Bewegungssystem für sich eine Werkstückberührung verursacht oder bedingt, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkzeug eine im Vergleich zum Werkstoff des Werkstücks (1) härtere Schlagkugel (51) verwendet wird, die die Verfestigungsbewegung durch Hämmern stets normal auf die Werkstückoberfläche ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass die relativen Maschinenbewegungen (29) und (36) die Bearbeitungsvorrichtung (16) völlig entkoppelt mit der Bewegung (33) der Schlagkugel (51) zur Einbringung der Druckeigenspannungen in das Werkstück (1) erfolgen und gekennzeichnet dadurch, dass während der Impulseinbringung in das Werkstück (1) dieses sich in Drehung (12) befindet.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Hub-(3) und Hauptlager (2) unter Verwendung einer zusätzlichen Maschinenachse Z für die axiale rela tive Werkstückpositionierung in einer Aufspannung sequentiell nach einander bearbeitet werden können.
Werkzeugmaschine nach Ansprüchen 1 oder 2 zur Bearbeitung der Kurbelwangenradienübergänge (6) an Hub-(3) und Hauptlagern (2) von Kurbelwellen (1) für Brennkraftmaschinen gekennzeichnet dadurch, dass über zwei weitere orthogonal zueinander stehenden Maschinenachsen U und V eine zweite Bearbeitungsvorrichtung (17) genau gegenüber der ersten Bearbeitungsvorrichtung (16) positioniert wird und die Bearbeitung der beiden Kurbelwangenradienübergänge (6) hauptzeitparallel von zwei Seiten aus gleichzeitig erfolgt.
Werkzeugmaschine nach Ansprüchen 1 oder 2 zur Bearbeitung der Kurbelwangenradienübergänge (6) an Hub-(3) und Hauptlagern (2) von Kurbelwellen (1) für Brennkraftmaschinen gekennzeichnet dadurch, dass eine Bearbeitungsvorrichtung (16) auf der dem Werkstück gegenüberliegenden Seite durch eine Abstützrolle (55) oder durch ein Stützprisma abgestützt wird, wobei die Achse (54) bzw. Lagerstelle der Abstützrolle (55) bzw. des Stützprismas über eine oder mehrere gesteuerte Maschinenachsen der Werkstückoberfläche (6) nachgeführt wird.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (16) mit Hilfe von zwei orthogonal zueinander stehenden Maschinenachsen X und Y stets rechtwinkelig auf die Lagerstelle (3) bzw. (2) steht, deren Radienübergänge (6) zu den benachbarten Kurbelwangen (4) zu bearbeiten sind.
Werkzeugmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass das Werkstück (1) mit Hilfe des steuerbaren Drehantriebes (11) während der Bearbeitung eine nicht gleichförmige Drehbewegung (12) er fährt.
Bearbeitungsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüchen 1 bis 6 zur Bearbeitung der Kurbelwangenradienübergnge an Hub- und Hauptlagern von Kurbelwellen (1) für Brennkraftmaschinen dadurch gekennzeichnet, dass zwei Radienübergänge (seitlich rechts und links der jeweiligen Lagerstelle) mit Kugeln (51) durch stoßartiges Hämmern gleichzeitig bearbeitet werden.
Bearbeitungsvorrichtung (16) für eine Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die mechanische Schlagenergie durch einen rotierenden Exzenter (46) auf mechanischem Wege auf das Bearbeitungswerkzeug (49) übertragen wird.
Bearbeitungsvorrichtung (16) für eine Werkzeugmaschine nach Ansprüchen 1 bis 7 gekennzeichnet dadurch, dass die mechanische Schlagenergie über eine hydraulische Leitung auf das Bearbeitungswerkzeug (49) übertragen wird.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die mechanische Schlagenergie durch einen Piezoelektrischen Aktor (57) auf das Schlagwerkzeug übertragen wird.