Prozessplanung für die Bearbeitung von Kurbelwellen: Grundlagen und Auswahl der Bezugspunkte

Grundsätze der Prozessplanung für Kurbelwellen und die Auswahl von Bezugspunkten

Grundsätze für die Gestaltung von Prozessabläufen

1. Legen Sie zunächst die Bezugspunkte fest: Bei der Arbeitsplanung sollten im ersten oder zweiten Arbeitsgang nach Möglichkeit die Präzisionsbezugspunkte der Kurbelwelle bearbeitet werden. In den nachfolgenden Arbeitsgängen können diese Präzisionsbezugspunkte dann zur Positionierung des Werkstücks herangezogen werden, wodurch sich die Genauigkeit anderer Oberflächen leichter gewährleisten lässt.
2. Oberflächenbearbeitung vor dem Bohren: Wenn Bohrungen in Kurbelwellenzapfen oder Flanschflächen erforderlich sind, bearbeiten Sie zunächst die Zapfen und Flanschflächen und bohren Sie anschließend die Löcher in diese Flächen. Auf diese Weise lässt sich die Genauigkeit der Bohrungen leichter gewährleisten.
3. Bearbeiten Sie zuerst die Hauptflächen und dann die Nebenflächen: Bei der Prozessplanung sollte der Schwerpunkt auf den wichtigen Flächen der Hauptlagerzapfen und Kurbelzapfen liegen. Zwischen diesen Arbeitsschritten können sekundäre Flächen eingefügt werden.
4. Vorbearbeitung vor der Endbearbeitung, mit getrennter Vor- und Endbearbeitung: Die Trennung von Schrupp- und Schlichtbearbeitung dient folgenden Zwecken.
   1. Sicherstellung der Bearbeitungsqualität: Bei der Grobbearbeitung führen große Zugsätze zu hohen Schnittkräften und großer Schnittwärme. Das Prozesssystem ist daher elastischen Verformungen, thermischen Verformungen und hohen Restspannungen im Werkstück ausgesetzt. Bei der Grobbearbeitung lassen sich weder hohe Genauigkeit noch geringe Oberflächenrauheit erzielen. In den nachfolgenden Bearbeitungsschritten müssen die Schnittparameter und Bearbeitungsfehler schrittweise reduziert werden, um die Anforderungen an die Teilequalität zu erfüllen. Bei Rohlingen mit inneren Restspannungen kann die Grobbearbeitung diese Spannungen umverteilen und im Laufe der Zeit zu Verformungen führen. Durch die Trennung von Grob- und Feinbearbeitung werden die Auswirkungen spannungsbedingter Verformungen auf die Feinbearbeitung vermieden; verbleibende Verformungen können zudem in späteren Feinbearbeitungsschritten beseitigt werden.
   2. Leerfehler frühzeitig erkennen: Bei der Grobbearbeitung wird ein großer Aufmaßanteil abgetragen, wodurch Mängel am Rohling frühzeitig erkannt werden können. So ist eine rechtzeitige Aussortierung oder Reparatur möglich, und es wird Materialverschwendung durch die weitere Bearbeitung vermieden.
   3. Werkzeugmaschinen ordnungsgemäß verwenden: Für die Grobbearbeitung können Maschinen mit hoher Leistung und Steifigkeit, aber mäßiger Genauigkeit eingesetzt werden, während für die Feinbearbeitung hochpräzise Maschinen zum Einsatz kommen. Auf diese Weise werden die Fähigkeiten der jeweiligen Maschine optimal genutzt. Die Trennung von Schrupp- und Schlichtbearbeitung gilt sowohl für die Bearbeitung einzelner Oberflächen als auch für die Bearbeitung des gesamten Werkstücks. Da sich die Genauigkeit von Guss- und Schmiedeteilen für moderne Automobil-Rohlinge kontinuierlich verbessert und die Gesamtzugabe abnimmt, wird die Unterscheidung zwischen Schrupp- und Schlichtbearbeitung immer weniger ausgeprägt.
5. Wärmebehandlungs- und Oberflächenverfestigungsverfahren sinnvoll planen.
6. Kurbelwellen sind schlanke Bauteile, daher sollten Verformungen bei der Bearbeitung so gering wie möglich gehalten werden. Bei der Prozessplanung für Kurbelwellen gelten im Allgemeinen folgende Grundsätze: Vorbearbeitung vor Endbearbeitung; Bezugspunkt vor anderen Merkmalen; Flächen vor Bohrungen; Hauptflächen vor Nebenflächen; und Hauptlagerzapfen vor Kurbelzapfen.

Bei der Erstellung eines Prozessplans sollten weitere Grundsätze berücksichtigt werden: die Vereinbarkeit mit dem Produktionsprogramm, das bestmögliche wirtschaftliche Ergebnis sowie die aktive Einführung neuer, für das Produktionsprogramm geeigneter Verfahren und Technologien.

Ein Prozessplan wird hauptsächlich anhand von drei Kriterien bewertet: Qualität, Kosten und Lieferzeit.

Entwicklung des Gesamtprozessablaufs

Bei einer einteiligen Kurbelwelle sind geschmiedeter Stahl und Sphäroguss die wichtigsten Ausgangsmaterialien. Übliche Fertigungsverfahren sind folgende:

• Kurbelwelle aus geschmiedetem Stahl: Rohteilvorbereitung, Schmieden, Normalisieren, Grobbearbeitung, Oberflächenhärten und -anlassen sowie Feinbearbeitung.
• Kurbelwelle aus Sphäroguss: Gießen, Normalisieren, Anlassen, Grobbearbeitung, Oberflächenhärten und -anlassen sowie Feinbearbeitung.

Entwicklung von Schruppbearbeitungsverfahren

Zu den gängigen Verfahren zur Grobbearbeitung von Kurbelwellen zählen Drehen, Innenfräsen, Drehen-Räumen und Drehen-Drehen-Räumen. Alle vier Verfahren kommen derzeit zum Einsatz. Die Wahl des Verfahrens hängt vom Produkt, vom Produktionsvolumen, von der Taktzeit, von den Prozessanforderungen und von den Investitionskosten ab.

Drehen: bietet die größte Vielseitigkeit. Innenfräsen: eignet sich zur Bearbeitung von Kurbelzapfen und Kurbelwellenflanschen, insbesondere wenn der Rohling eine große Zerspanungszugabe aufweist. Dreh-Räumen: stellt hohe Anforderungen an den Rohling und lässt sich nur schwer an Produktänderungen anpassen; daher eignet es sich für die Massenproduktion eines einzigen Produkts. Dreh-Dreh-Räumen: kombiniert Drehen und Drehstoßen; seine Genauigkeit entspricht der des Drehstoßens, seine Effizienz ist geringer als beim Innenfräsen, und seine Flexibilität ist höher als beim Drehstoßen und beim Innenfräsen.

Bei der 4H-Kurbelwelle wird für die Schruppbearbeitung eine Kombination aus Drehen und Innenfräsen eingesetzt.

Entwicklung von Schleifverfahren

Schleifreihenfolge und Bearbeitungsqualität: Ob man zuerst die Hauptlagerzapfen oder die Kurbelzapfen schleifen sollte, lässt sich nicht pauschal beantworten.

1. Schleifen der Hauptlagerzapfen, gefolgt vom Schleifen der Kurbelzapfen: Durch das Schleifen der Kurbelzapfen verursachte Spannungsentlastung kann dazu führen, dass der Rundlauf des Hauptlagers die Toleranz überschreitet, was schwer zu kontrollieren ist.
2. Schleifen der Kurbelzapfenlagerflächen, gefolgt vom Schleifen der Hauptlagerflächen: Die Umrechnung des Bezugspunkts kann dazu führen, dass der Kurbelradiusfehler die Toleranz überschreitet; sie ist schwer zu kontrollieren und erfordert zusätzliche Ausrüstung.

Mit der Weiterentwicklung der Technologien zur Grobbearbeitung und zum Härten von Kurbelwellenlagern konnte die Schleifzugabe erheblich reduziert werden. Schleifverformungen und Schleifspannungen sind geringer, und das Präzisionsschleifen der Lager kann in einem Durchgang durchgeführt werden, wodurch das Halbfertigschleifen entfällt und der Prozess vereinfacht wird.

Schleifrisse und Verbrennungen, insbesondere an breiten Druckflächen, der Rundlauf der Hauptlagerzapfen sowie die Lagegenauigkeit der Kurbelzapfenlagerzapfen im Verhältnis zu den Hauptlagerzapfen – einschließlich Radialschlag, Kurbelradius und Parallelität – sind zentrale Aspekte bei der Auslegung des Schleifprozesses.

Aus Sicht des Fertigungsprozesses ist das Schleifen der Hauptlagerzapfen vor den Kurbelzapfenlagerzapfen ein optimierter Prozess mit einfachem Ablauf und geringem Investitionsaufwand, sofern die Auswirkungen der Schleifkraft auf die Kurbelwellenverformung innerhalb des zulässigen Rundlaufs der Hauptlagerzapfen gehalten werden können. Arbeitsschritte, die ausschließlich der Prozesspositionierung dienen, stellen nicht wertschöpfende Tätigkeiten dar und sollten reduziert oder ganz vermieden werden.

Auswahl des Bezugspunkts für die Kurbelwelle

Am Beispiel einer 4H-Motor-Kurbelwelle: Diese Kurbelwelle verfügt über vier Kurbelzapfenlager und fünf Hauptlager. Für die Auswahl eines radialen Bezugspunkts bei einer Kurbelwelle eines Reihenmotors können die Mittelbohrungen an beiden Enden oder die Hauptlagerzapfen, wie beispielsweise die Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten des ersten und fünften Hauptlagerzapfens oder die Verbindungslinie zwischen den beiden Mittelbohrungen, als radiale Bezugspunkte verwendet werden.

Es stehen mehrere axiale Bezugspunkte zur Verfügung. Um die axiale Bewegung zu begrenzen und eine durch Axialkräfte verursachte axiale Verschiebung zu verhindern, werden die Schulter bzw. die Druckfläche des vierten Hauptlagers und die Stirnfläche des Flanschlagers als axiale Bezugspunkte verwendet.

Da es sich bei einer Kurbelwelle um ein komplexes Bauteil handelt, verfügt sie auch über mehrere Winkelbezugspunkte, wie beispielsweise den Winkelansatz am Ausgleichsgewicht des ersten Hauptlagers, den ersten Kurbelzapfen und die Bohrungen im Flansch.

1. Auswahl des Rohbezugspunkts für die 4H-Kurbelwelle: Kurbelwellenrohlinge sind in der Regel gekrümmt. Um sicherzustellen, dass die Mittellochbohrungen an beiden Enden genau in den geometrischen Mittelpunkten der Stirnflächen gebohrt werden, wird der grobe Bezugspunkt in radialer Richtung anhand der Außendurchmesser der Zapfen nahe den beiden Enden gewählt. Der axiale Bezugspunkt sind die Schultern auf beiden Seiten des dritten Hauptzapfens. Da die Kurbelarme auf beiden Seiten des dritten Hauptlagers in der Mitte der Kurbelwelle liegen, verringert ihre Verwendung als Grobbezugspunkt Positionsfehler bei den anderen Kurbelarmen. Als Winkel-Grobbezugspunkt wird der Winkelvorsprung am Ausgleichsgewicht des ersten Hauptlagers gewählt.
2. Auswahl des Präzisionsbezugspunkts für die 4H-Kurbelwelle: Da die Oberfläche der Kurbelwelle komplex ist, weist sie mehrere Präzisionsbezugspunkte auf. Zwei davon werden während des gesamten Bearbeitungsprozesses verwendet: Der wichtigste sind die Mittellochbohrungen an beiden Enden, der andere sind der erste und der fünfte Hauptlagerzapfen. Zudem stehen mehrere axiale Präzisionsbezugspunkte zur Verfügung, darunter die Zentrierbohrungen, die Stirnfläche des Flansch-Zapfens sowie die Schulter bzw. die Druckfläche des vierten Hauptzapfens. Die meisten winkelspezifischen Passbezugspunkte nutzen Prozessbohrungen im Flansch, um die Drehfreiheit beim Schleifen der Haupt- und Kurbelzapfen zu begrenzen. Gelegentlich wird auch der erste Kurbelzapfen als winkelspezifischer Passbezugspunkt verwendet.