Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur endmaßgenauen Bearbeitung von Kurbel- oder Nockenwellen auf Endmaßtoleranzen R ₂ < 10 μm, vorzugsweise ≤ 5 μm und Rundlauftoleranzen < 30 μm, vorzugsweise < 6 μm. Die Kurbel- oder Nockenwellen sind spanend bearbeitet und wenigstens teilweise einer Härtung unterzogen worden.

Bei den nach dem Stand der Technik bekannten Bearbeitungsverfahren durchlaufen die Kurbelwellen üblicherweise mehrere Behandlungsstufen. Zunächst werden die gegossenen oder geschmiedeten Wellen einer spanenden Bearbeitung wie dem Dreh-Räumen, Dreh-Dreh-Räumen, Innenrundfräsen und Außenfräsen, insbesondere bei hohen Fräsgeschwindigkeiten, ausgesetzt, wobei das gusstechnisch oder schmiedetechnisch vorgesehene Aufmaß bis auf einen Restwert im Millimeterbereich abgetragen wird.

Um die Abriebfestigkeit der Kurbelwelle zu erhöhen, wird die Welle zumindest teilweise nach einem weiteren Schritt gehärtet, beispielsweise durch induktives Härten, um die gewünschte Material- und Gefügestruktur zu erzielen. Bei der Härtung ist eine Verzug und eine geringfügige Maßänderung der Kurbelwelle oder der Nockenwelle nicht auszuschließen, die in einem späteren Bearbeitungsschritt kompensiert werden muss.

Üblicherweise werden die Kurbelwellen in einem dritten Bearbeitungsschritt geschliffen, beispielsweise mit einer Schleifscheibe, deren Rotationsachse parallel zur Rotationsachse der sich drehenden Kurbel- oder Nockenwelle bewegt. Zumeist wird das Schleifen unter Zusatz von Kühlschmiermitteln durchgeführt, um eine zu große Erwärmung der Kurbelwelle beim abschließenden Schleifgang zu vermeiden. Abgesehen davon, dass die Entsorgung des entstehenden Schleifschlammes, der sowohl die abgeschliffenen Wellenpartikel als auch die herausgerissenen Schleifkörner der Schleifscheibe enthält, kostspielig ist, da Schleifschlamm als Sondermüll behandelt werden muss, lassen sich beim Schleifen weder eine hohe Erwärmung des Werkstücks völlig ausschließen noch ungünstige Einflüsse auf die Werkstückoberfläche, die in Folge der hohen Bearbeitungsdrucke beim Schleifen eine unerwünschte Oberflächenstruktur im mikroskopischen Bereich erzeugen.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die genannten Nachteile vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird die Kurbel- oder Nockenwelle zunächst einer ersten spanenden Bearbeitung sowie einer nachfolgenden Härtung, etwa auf werte zwischen 45 bis 60 HRC, vorzugsweise 50 bis 53 HRC unterzogen. Hiernach schließt sich eine abschließende spanende Bearbeitung mit CBN- oder PKD-Inlets bestückten Schneideinsätzen an, mit denen die endmaßgenaue Form gefertigt wird. Apparativ wird hierzu eine Vorrichtung verwendet, die aus einem Innen- oder Außenfräser besteht, auf dessen Peripherie radial und/oder axial einstellbare Schneideinsätze befestigt sind, die jeweils mit CBN- oder PKD-Inlets bestückt sind, wobei vorzugsweise abwechselnd lateral, radial und tangential eingespannte Schneideinsätze aufeinander folgen. Allerdings kann die Anzahl der tangential eingespannten Schneideinsätze, welche der Glättung der Hub- oder Hauptlager dienen, deutlich geringer sein als die Anzahl der lateral eingespannten Schneideinsätze, die für die jeweilige Wangenbearbeitung und Unterstichfertigung benötigt werden.

Der Austausch des auf eine Härtung folgenden Schleifens gegen eine zerspanende Bearbeitung hat nicht nur den Vorteil, dass die gesamte Fertigungslinie trocken, d. h. ohne Einsatz von Kühlschmiermittel, gefahren werden kann, womit insbesondere die mit Spänen und Schleifschlamm belastete Entsorgung des Kühlschmiermittels oder dessen Wiederaufarbeitung entfällt, sondern auch die Fertigungsgenauigkeit erhöht wird. Dies setzt jedoch voraus, das die Zerspanungsarbeiten mit CBN- oder PKD- Schneiden durchgeführt wird, die erst eine hinreichend genaue endmaßexakte Fertigung unter Einhaltung geringer Toleranzen ermöglicht. Der bloße Austausch eines Schleifverfahrens nach dem Härten gegen eine Zerspanungsbearbeitung mit her- kömmlichen Hartmetall-Schneideinsätzen bringt jedenfalls nicht die gewünschten Endmaße, weshalb sich bei solchen Zerspanungen noch ein Feinschleifen anschließen muss, etwa mittels Schleifbändern. Durch Einsatz der CBN- oder PKD-Schnei- den wird eine Oberflächenstruktur geschaffen, welche eine Toleranz im Bereich R _z < 10 μm und eine Rundlauftoleranz unter 30 μm, vorzugsweise bei 6 μm oder weniger einhalten lässt.

Wird sowohl vor dem Härten als auch nach dem Härten mit einer definierten Schneide, d. h. mit einer zerspanenden Bearbeitung gearbeitet, kann eine höhere Unrundheit in der ersten Bearbeitungsstufe im abschließenden Zerspanungsgang beseitigt werden, da die Passivkraft auf die Lagerstelle deutlich kleiner ist als beim Schleifen. Bei einem abschließenden zerspanenden Bearbeiten reichen zur Beseitigung einer Unrundheit auch ein oder zwei Fräsumläufe, wohingegen beim Schleifen mehrmalige Umläufe mit den zuvor beschriebenen Nachteilen erforderlich waren.

Als weiterer positiver Effekt ergeben sich durch die Verwendung von PKD- und CBN- Schneiden neben einer hohen Oberflächenqualität der Werkstücke auch lange Standzeiten, womit die Wirtschaftlichkeit des Behandlungsverfahrens erhöht wird. Die hohe Abrasionsbeständigkeit der PKD- oder CBN-Schneiden lässt auch eine hohe Prozesssicherung und eine hohe Einstellgenauigkeit erreichen. Die sich ergebende Verteuerung der Schneideinsätze (gegenüber einstückigen Hartmetall- Schneideinsätzen) wird in Folge längerer Standmenge pro Schneide in einer kürzeren Taktzeit mehr als kompensiert, so dass die Kurbel- oder Nockenwellenherstellung insgesamt auch preiswerter wird.

Die Rautiefe R _z stellt den Abstand zwischen der höchsten Erhebung und der tiefsten Vertiefung einer mikroskopischen Oberflächenstruktur innerhalb einer definierten Prüfstrecke dar, wobei der so ermittelte Wert von 5 Prüfstrecken zur Bestimmung von R _z ermittelt wird. Hiermit werden Ausreißer aus dem Oberflächenprofil, nämlich sehr hohe Spitzen und sehr tiefe Täler nicht überbewertet. Der Rundlauf wird bestimmt durch Kreise, die innen und außen an die Ist-Kontur des Werkstückes angelegt werden. Die beiden Kreise sind konzentrisch zueinander angeordnet, so dass der tatsächliche Querschnittsverlauf eines Werkstückes im Zwischenraum zwischen diesen beiden Kreisen liegt. Die vorliegende Erfindung beruht insbesondere auf der Erkenntnis, dass spanende Verfahren mittels eines Außenoder Innenfräsers eine höhere Rundlaufgenauigkeit garantieren als ein übermäßiges Schleifen, bei dem ohnehin der Materialabtrag relativ gering ist. Wird durch die Wahl der Zerspanungswerkzeuge und der Justierbarkeit auf einem Außen- oder Innenfräser eine exakte, über lange Standzeiten genaue, Schneideinsatz Positionierung gewährleistet, lassen sich trotz der fehlenden Schleifbearbeitung gute Resultate erzielen, die den Ansprüchen nach Anspruch 1 hinsichtlich der Endmaßtoleranzen und Rundlauftoleranzen genügen.

Vorzugsweise-Ausgestaltungen der Schneideinsätze, die mit CBN- oder PKD-Inlets bestückt sind, sind in den Unteransprüchen beschrieben. So ist insbesondere der jeweilige Schneideinsatz zur Bearbeitung der Hub- oder Mittellager einer Kurbeloder Nockenwelle mit einer dachförmig ausgebildeten Schneidkante ausgestattet, die zwei Schneidkantenabschnitte aufweist, welche einen Winkel von 173° bis 178°, vorzugsweise 175° miteinander einschließen. Durch die hiermit gebildeten zwei nutzbaren Schneiden werden die Einsatzmöglichkeiten vergrößert, d. h. dass der Schneideinsatz sowohl für rechte als auch für linke Schneidarbeiten nutzbar ist. Die jeweiligen Schneiden können nachgeschliffen werden, um die Lebensdauer des Schneideinsatzes zu erhöhen.

Die genannten Schneidkantenabschnittsenden gehen über einen Kantenradius von R = 0,4 mm bis 1 ,5 mm (je nach Größe) in Nebenschneiden über, die gegenüber einer normalen zur Auflagefläche des Schneideinsatzes um 2° bis 3°, vorzugsweise 2,5° geneigt ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die lateral eingespannten Schneideinsätze zur Wangenbearbeitung ein CBN- oder PKD-Inlet mit jeweils zwei nutzbaren Schneiden auf, die einen Winkel von 80° ± 5° einschließen; die beiden Schneiden sind über einen Schneideckenradius von R = 1 bis 1 ,5 mm miteinander verbunden. Auch diese Schneiden sind nachschleifbar.

Vorzugsweise sind alle auf einem Innen- oder Außenfräser angeordneten Schneideinsätze in Kassetten mit einer Einstellvorrichtung befestigt, die ein exaktes Justieren der Schneideinsatzlage relativ zum Werkzeugträger erlaubt.

Bei einer Lagerbearbeitung sollte die Balligkeit des Lagers vorzugsweise zwischen 0 und 4 μm liegen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugsegmentes mit drei unterschiedlichen Kassetten,

Fig. 2a, b eine Detailansicht einer Kassette mit lateral seitlich angeordnetem Schneideinsatz,

Fig. 3a, b eine Explosionszeichnung der Ausführungsform gemäß Fig. 2a, b,

Fig. 4a-c drei Ansichten eines lateral einspannbaren Schneideinsatzes und

Fig. 5 eine Seitenansicht eines tangential einspannbaren Schneideinsatzes.

Außenfräser, die bei der Zerspanung um ihre Längsachse rotieren und die einen scheibenförmigen Werkzeugträger besitzen, der peripher angeordnete, jeweils mit einem Schneideinsatz bestückte Kassetten aufweist, die auf einem ring- oder teilringförmigen oder segmentförmigen, lösbar entweder unmittelbar an einer Maschinenspindel oder mittelbar über einen Adapater an einer Maschinenspindel befestigten Träger fixiert sind, sind beispielsweise in der DE 10 2007 013 153 A1 beschrieben. Einen segmentförmigen Träger 11 eines solchen Außenfräsers zeigt Fig. 1. Dieser Träger 11 weist im unteren Bereich eine offene schlitzförmige Ausnehmung 29 auf, die blind endet und an ihrem Ende einen Anschlagpunkt für einen Schraubenschaft besitzt. Die axiale Verspannung dieses segmentförmigen Trägers 11 an einer nicht dargestellten Spindel erfolgt über Klemmkeile. Mehrere Segmente 11 , die über geeignete Klemmstücke nebeneinander befestigen sind, bilden einen kompletten Ring, der auf einer vorhandenen Spindel fixiert wird. Einzelne Segmente gegenüber einem vollen einstückiger Ringkörper haben den Vorteil, dass ein partieller Austausch zum Schneideinsatzwechsel möglich ist. In Fig. 1 sind ein lateral links eingespannter Schneideinsatz 12, ein lateral rechts eingespannter Schneideinsatz 13 sowie ein mittig befestigter Schneideinsatz 14 auf der Peripherie 15 befestigt. Die Schneideinsätze 12 und 13 sind sowohl radial als auch axial und hinsichtlich ihrer Schneidkantenneigung zur Einstellung des sogenannten Sturzes verstellbar, während beim Schneideinsatz 14 die axiale Verstellmöglichkeit entbehrlich ist.

Aus Fig. 2a und 2b sowie 3a und 3b ist im einzelnen erkennbar, dass der Schneideinsatz 13 mittels einer Spannschraube in dem Plattensitz einer Kassette 20 befestigt ist, die einen Plattensitz mit einer Auflagefläche 21 sowie zwei Seitenflächen 22 und 23 aufweist. Der Schneideinsatz 13 wird mittels einer Spannschraube 16 fixiert, die einen Senkkopf aufweist. Die Spannschraube durchgreift mit ihrem Schaft die Mittenbohrung des Schneideinsatzes 13 und ist in einer Gewindebohrung 24 (siehe Fig. 3a, 3b) eingeschraubt. Der Schneideinsatz besitzt eine Schneidkante 17, die Teil eines CBN-Inlets ist, auf das noch später eingegangen wird. Die Schneidkante 17 ist zur Außenseite hin konvex gekrümmt ausläuft. Der Schneideinsatz 12 ist wie Schneideinsatz 13 in einer Kassette angeordnet, wobei die Kassetten für die Schneideinsätze 12 und 13 spiegelsymmetrisch aber ansonsten gleich aufgebaut sind. Ebenso in einer Kassette eingeschraubt ist der Schneideinsatz 14, deren Breite größer gewählt ist, damit die Anlagefläche 23 weiter nach links (siehe Fig. 1 ) angeordnet werden kann. Einheitlich werden alle Kassetten mit einem Klemmkörper 18 fixiert, der über eine Doppelgewindeschraube 19 betätigbar ist. Der Klemmkörper 18 ist an seinem unteren Ende abgewinkelt, wobei der gewählte stumpfe Winkel iden- tisch mit der entsprechenden korrespondierenden Winkelkontur der Kassette gewählt ist.

Zur axialen Verstellung der Kassette 20 dient ein Verstellkörper 25, der über die Doppelgewindeschraube 26 verschiebbar ist. Dieser Verstellkörper besitzt eine Keilfläche 251 , durch deren Längsverschiebung die Kassette und damit der Schneideinsatz 13 axial bewegt werden kann. Zur Radialverstellung dient der Verstellkörper 27 mit einer Keilfläche 271 , der mittels der Doppelgewindeschraube 28 verschiebbar ist. Die Kassette 20 ist im Wesentlichen quaderförmig aufgebaut und besitzt eine schlitzförmige Nut 30, die sich, wie insbesondere aus Fig. 3b erkennbar sind, relativ weit durch den Klemmkörper 20 bis nahe zu dessen Rückwand 31 erstreckt. Durch Aufspreizen der Nut 30 wird der oberhalb der Nut 30 liegende Teil 201 etwa in Richtung des Pfeils 32 bewegt, was zu einer entsprechenden Kippung der Schneidkante 17 um einen (stark übertrieben dargestellten) Winkel α führt. Auf diese Weise kann eine Feineinstellung des Sturzes des Schneideinsatzes bzw. der Schneidkante bewirkt werden. Zur Verstellung für die Spaltbreite dient eine Doppelgewindeschraube, die in vorhandene Bohrungen in den Teilen 201 und 202 eingreift und die als Kreuzlochschraube 33 ausgebildet ist, deren Kopf auf einer Madenschraube 34 im zusammengebauten Zustand ruht. In Fig. 3a sind Steckschlüssel 35 und 36 dargestellt, mit denen demonstriert wird, wie diese Schlüssel eingesteckt und betätigt werden. Die Betätigung der Kreuzlochschraube ist über die lateral zugängliche Ausnehmung 37 der Kassette (siehe Fig. 3a) möglich.

Zur axialen, radialen und zur Winkelverstellung des Schneideinsatzes 12 oder 13 muss bei montiertem Werkzeug zunächst die Schraube 19 zum Lösen des Klemmkörpers 18 betätigt werden. Hiernach lassen sich über Inbuseingriffe die Verstellschrauben 26 und 28 betätigen, worüber der Schneideinsatz axial und radial verschiebbar ist. Zusätzlich kann durch Drehung der Kreuzlochschraube 33 der Sturz der Schneidkante, d. h. deren Winkellage, um einen beliebig wählbaren Winkel eingestellt werden. Diese Einstellmöglichkeit ist selbstverständlich durch die gewählte Schlitzanordnung dadurch eingeschränkt, dass sich der Nutabstand entsprechend der Kassettenverformbarkeit nur limitiert verändern lässt. Nach gewählter Einstellung der Schneideinsätze wird jeweils durch Festziehen der Schraube 19 über den Klemmkörper 28 jeder Einsatz fixiert. Der Schneideinsatz 14 ist nur radial und hinsichtlich der Schneidkantenwinkellage verstellbar.

Details über die verwendeten Schneideinsätze 13 und 14 sind Fig. 4a bis c und Fig. 5 zu entnehmen. Der Schneideinsatz 13 besitzt ein CBN-Inlet 131 , das in einem Trägerkörper 132 eingelötet ist, der beispielsweise aus Stahl oder Hartmetall bestehen kann.

Das CBN-Inlet 131 besitzt eine obere Schneidkante 133 sowie eine kürzere Schneidkante 134, die um einen Winkel ß von 10° gegenüber der Vertikalen zur Schneidkante 133 gekippt ist. Die Schneidkanten 133, 134 gehen über einen Radius von beispielsweise 1 mm ineinander über. Die durch dien Winkel α bestimmte Neigung des CBN-Einsatzes 131 (siehe Fig. 4a) beträgt vorzugsweise 6°. Der Schneideinsatz besitzt eine Bohrung mit Ansenkung 135, die für eine N4-Schraube ausgebildet ist.

Eine Seitenansicht eines Schneideinsatzes 14 zeigt Fig. 5, deren CBN-Inlet mit 141 bezeichnet ist. Dieses Inlet besitzt eine zweigeteilte Schneidkante mit Schneidkantenabschnitten 142 und 143, die einen Winkel γ von 175° einschließen. Die Schneidkanten 142 und 143 gehen endseitig über einen Radius von beispielsweise 0,4 mm in geneigte Kanten über, die unter einem Winkel δ von 2,5° (der in der Zeichnung übertrieben dargestellt ist) geneigt ist. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, muss sich das CBN- Inlet 141 nicht über die komplette Höhe des Schneideinsatzes erstrecken.

Die mit CBN-Inlet bestückten Außenfräser werden insbesondere zur nachträglichen spanenden Bearbeitung einer Kurbel- oder Nockenwelle eingesetzt.

Die gegossene oder geschmiedete Kurbel- oder Nockenwelle wird zunächst einer ersten zerspanenden Bearbeitung mittels Außenfräsern unterzogen, die an mehreren Stellen der Kurbel- oder Nockenwelle zur Haupt- und Hublagerausbildung sowie zur Wangenbearbeitung ansetzen. Bereits in diesem ersten Zerspanungsgang wird eine größtmögliche Oberflächengüte (mit R _z < 50 μm und Rundlauftoleranzen < 100 μm) angestrebt. Anschließend wird die Kurbel- oder Nockenwelle einer induktiven Härtung unterworfen, wobei gegebenenfalls die Härtung auf die später stark belasteten Lager beschränkt werden kann. In einem abschließenden Zerspanungsgang wird unter Einsatz eines Außen- oder Innenfräsers, der mit CBN-Inlets bestückt ist, die geforderte Endmaßqualität mit Endmaßtoleranzen R ₂ < 10 μm und Rundlauftoleranzen ≤ 30 μm eingestellt. Sämtliche Zerspanungsarbeiten werden trocken, d. h. ohne den Einsatz von Kühlschmierstoffen durchgeführt.

Bezuqszeichenliste

11 segmentförmiger Träger

12, 13, 14 Schneideinsätze

131 CBN-Inlet

132 Trägerkörper

133, 134 Schneidkanten

135 Absenkung

141 CBN-Inlet

142, 143 Schneidkantenabschnitte

15 Peripherie des Trägers 11

16 Spannschraube

17 Schneidkante

18 Klemmkörper

19 Doppelgewindeschraube 0 Kassette 01 , 202 oberer und unterer Teil der Kassette 1 Auflagefläche des Plattensitzes 2, 23 Seitenflächen des Plattensitzes 4 Gewindebohrung 5 Verstellkörper zur axialen Einstellung 51 Keilfläche 6 Doppelgewindeschraube 7 Verstellkörper zur radialen Einstellung 71 Keilfläche 8 Doppelgewindeschraube 9 schlitzförmige Ausnehmung 0 schlitzförmige Nut der Kassette 20 1 Kassettenrückwand 2 Pfeil 3 Kreuzlochschraube 4 Madenschraube Einsteckschlüssel Lateralausnehmung