用于精加工曲轴轴承孔的方法和机械加工装置的制作方法

专利名称：用于精加工曲轴轴承孔的方法和机械加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求I的前序部分所述用于精加工内燃发动机气缸曲轴箱内的曲轴轴承孔的方法。本发明还涉及一种如权利要求13的前序部分所述适合用于实现上述方法的机械加工装置。
背景技术：
经常被简单称为“曲轴箱”或“发动机缸体”的气缸曲轴箱是例如在客车或卡车、飞机、轮船或固定装置中使用的燃烧式发动机或内燃发动机的一体部件。最常见的设计是多气缸发动机，其活塞通过连杆被连接至旋转的曲轴，曲轴将由发动机产生的功率输送至车轮、推进器、发电机等。曲轴在直列式发动机或V型发动机中位于气缸下方，而在对置气缸式发动机中则·位于气缸之间，并且在曲轴轴承孔的轴承点处被支撑在气缸曲轴箱上。轴承点通常采用滑动轴承的形式，有时也采用抗摩轴承的形式。为了确保曲轴的高度同心性并且因此最小化工作期间不合需要的摩擦和振动的影响，曲轴必需满足很高的尺寸公差要求。轴承点在它们的尺寸以及在气缸曲轴箱内的位置方面也具有紧公差。内燃发动机和气缸曲轴箱中重要部件相对紧的公差是这些部件复杂功能的结果。气缸孔的形状、尺寸和表面形貌因此决定性地确定了燃烧式发动机的磨损量、摩擦和油耗以及排放值，并且还由于摩擦而决定性地确定了输出和效率。被压缩的燃烧室容积具体确定了发动机的压缩。这对输出有影响，并且还通过燃烧序列而对排放值和发动机噪音有影响。除了其他的原因以外，曲轴相对于活塞或气缸孔的精确定位对于减少承受高负荷的发动机部件的磨损来说十分重要。这些部件具体地说是活塞/活塞销、连杆和曲轴上的连杆轴承并且还有在气缸曲轴箱内的曲轴安装件。就孔轴线的位置而言，不仅是绝对的空间位置，而且还有其角位置或取向都起到一定的作用。例如，在装有离合器的手动变速箱的情况下，曲轴和变速箱的输入轴彼此一起运行。因此，两轴的同轴性在此对于长期的使用寿命来说是决定性的。就曲轴的安装件而言，轴承点相对于彼此的同轴性也很重要。轴承点应该尽可能保持共线，目的是使曲轴能够同心地运行并且基本一致地安置在所有的轴承点处。曲轴轴承孔周围的工件区域通常由两个独立部件构成。这两个部件通常在一方面是气缸曲轴箱上的轴承腹板，而在另一方面是螺接在其上的轴承盖。可选地，曲轴轴承孔例如在对置气缸式发动机的情况下也可以位于两个气缸曲轴箱半部的界面处。独立部件通常在未装配状态下预先进行机械加工，其中在气缸曲轴箱的轴承腹板和轴承盖上分别加工出半圆形的表面部分。在随后的加工步骤中，独立部件被螺接在一起，以使得在轴承点区域内相应地由半圆形的表面部分获得基本为圆柱形的孔部。然后一个接一个地顺序间隔开放置的多个孔部就提供了整体的曲轴轴承孔。用这种方式制成的孔随后要经过多级精加工处理。为了能够达到气缸曲轴箱的生产公差，目前通常要使用一种或多种钻孔操作和/或摩擦操作以及一种或多种后续珩磨操作的组合。提供多重操作的原因在于例如由于铸造气缸曲轴箱造成的不规则使得必须要去除相对大量的十分之几毫米或更多的材料，但是与此同时尺寸和位置公差还要处于较低的微米级范围内，并且因此需要高精度的机械加工。借助具有确定几何形状的切削刃的工具(钻孔工具或摩擦工具)进行的机械加工阶段在此情况下有两项主要任务。一项任务是参照相对于工件固定的坐标系例如参照气缸曲轴箱上的对应基准面确定整体曲轴轴承孔的位置。因此，通过用确定几何形状的切削刃进行精加工，即可得到对于该工件来说规定的孔轴线的期望位置。借助具有确定几何形状的切削刃的工具进行精加工的另一项任务是各个轴承点相对于彼此的定位，这在本领域技术人员中也被称为曲轴轴承孔的“同轴性”。在这些操作的情况下相对于孔径去除的材料总量通常处在十分之几毫米的范围内，有时也可能是一毫米或更多。借助具有确定几何形状的切削刃的工具进行精加工之后是曲轴轴承孔的珩磨，也就是用具有不确定几何形状的切削刃的一件工具或多件工具进行精加工。珩磨具体实现了 关于直径公差、圆柱形状和表面粗糙度的最终要求质量，以使得能够保持关于孔内表面可 规定的期望尺寸和可规定的期望结构的公差。期望曲轴轴承孔的位置和同轴性在珩磨期间不应该改变，原因在于它们已经通过先前的操作而被确定。因此，在珩磨工具和珩磨心轴之间提供铰接耦合或顺从性耦合以用于珩磨，目的是为了使珩磨工具能够遵循已经在其位置方面已经被规定的孔而不会主动改变其位置。在珩磨操作中相对于孔径去除的材料量通常处在远低于100 μ m的范围内。EP0968069B2介绍了一种能够在批量生产气缸曲轴箱时用于钻出曲轴轴承孔的钻孔机。DE19634415B4公开了一种能够例如在珩磨曲轴轴承孔或者被分为多个部分并且具有在一条直线上顺序设置的孔部的其他孔时使用的珩磨工具。珩磨工具具有能够在开始机械加工之前根据期望尺寸进行设定的至少一个珩磨区域，并且还具有均带有至少一个切削涂层的切削区域和标定区域以及带有至少一个切削涂层的引导切削区域，引导切削区域是径向可展开的。

发明内容
本发明解决的问题是提供一种用于精加工气缸曲轴箱内的曲轴轴承孔的方法以及一种适合用于实现上述方法的设备，由此能够以比先前更加成本有效的方式精加工曲轴轴承孔，同时在从相对粗糙的预加工开始时仍保持对机械加工精度的最高要求。为了解决该问题，本发明提供了具备权利要求I中所述特征的方法以及具备权利要求13中所述特征的设备。在从属权利要求中明确了有利的开发。所有权利要求的用语都参照说明书的内容。在根据所请求发明的结构中，多级精加工的多个机械加工操作能够比先前更好地一起工作。不同的成屑机械加工方法-一方面具有几何形状确定的切削刃(例如精确钻孔和/或铰孔)，另一方面具有几何形状不确定的切削刃(珩磨)_之间的接合得以优化。以下是此优化所基于的一些考虑因素。术语“珩磨”在本申请中是指用几何形状不确定的切削刃的机械加工过程，其中具有多个切削刃的珩磨工具执行包括两个分量的机械加工动作，这就产生了机械加工后内表面的特征表面结构，该结构通常但非必要地具有交叉机械加工痕迹。从珩磨机器的珩磨心轴传输至珩磨工具的机械加工动作通常包括轴向来回进行的往复动作以及叠加在其上的旋转动作。与用几何形状确定的切削刃工作的工具(例如钻孔工具)相比，珩磨工具具有长得多的寿命，以使得能够加工更多数量的工件而不必更换工具。尽管在钻孔工具和铰孔工具的情况下，几何形状确定的切削刃的磨损能够导致接合状态的逐渐改变，并且因此导致表面质量和尺寸精度的恶化，但是珩磨工具的切削性能由于设有粘接磨粒的切削团的自动锋利效果而在整个寿命期间均可保持基本不变，以使得即使在机械加工了大量的工件以及每个孔都去除了相对高比率的材料的情况下也能够达到基本稳定的形状和表面微观结构的质量。将一部分机械加工任务从精确钻孔和/或铰孔中移走从而转移到珩磨能够相应地提高整体工艺的生产率而并不损失质量。本发明实现了工艺链的显著缩短，还有可能更加成本有效地实现精加工。 借助几何形状确定的切削刃的机械加工操作能够比先前更为近似而且因此更加高效地工作。在某些情况下可以完全省去借助几何形状确定的切削刃的各个机械加工阶段。例如，在所述方法的某些变形的情况下，可以省去所谓的精加工精确钻孔，其作为多级精确钻孔过程中最终的机械加工操作，具有(相对于孔径)40 μ m到50 μ m之间的典型的材料去除量的，其传统地被设计用于精确地机械加工孔以使后续珩磨只需去除非常少的量(通常在40 μ m到60 μ m之间)即可设定直径公差、圆柱形状和表面结构。由于珩磨能够实现相对大量的材料去除，因此与常规方法的情况相比，通过借助几何形状确定的切削刃进行机械加工以将具体的最终尺寸保持在紧公差以内就显得不太重要。后续的珩磨操作在这方面“容忍度更高”。因此，没有必要在完成借助几何形状确定的切削刃的最终精加工之后或者在开始珩磨之前进行常规方法的情况中常见的测量操作，而且在借助几何形状确定的切削刃的最终精加工操作之后不必首先执行测量操作即可珩磨工件。还可以省去对应的测量站，并且相应地在机械加工装置的优选实施例中也并不存在测量站，以使得在这些实施例中未在用于利用几何形状确定的切削刃的机械加工的机器和珩磨机器之间的工件流内设置单独的测量站。在所请求保护的发明的情况下，“珩磨”生产过程不仅被用于设定直径公差、圆柱形状和表面结构，而且与此同时珩磨还能在需要时带来对孔同轴性的改进。有助于此的因素在一方面是珩磨工具相对于孔轴线同轴地来回移动，而在另一方面则是与常规方法相比相对更大量的材料去除。工件通常被固定在工件位置并且珩磨工具被相对于孔轴线的期望位置同轴地引入到孔内并在孔内移动。工件通常至少是被固定以避免被从工件保持器抬起。在所述方法某些变形的情况下，可以允许有围绕垂直轴线的移动自由度，目的在于不会出现不必要的约束力并且将工件在珩磨工具上对准。在其他变形的情况下，工件例如通过分度设备被固定在工件位置用于珩磨，并且因此具有了即使在加工力的作用下也不会改变的工件位置。为了使已经通过先前操作准确设定的孔轴线位置不会被珩磨改变，并且为了使得即使可能地由于在轴向和/或周向上不均匀分布的材料去除，也仍然能够校正该位置并且特别是能够进一步改进同轴性，某些实施例中在珩磨期间提供了精确固定工具轴线(相对于空间位置和角位置或取向)的位置。这可以通过径向引导珩磨工具实现。结构上，这可以通过各种径向弓I导设备来实现。珩磨工具优选地通过心轴侧的耦合结构被刚性耦合至珩磨心轴或者耦合至刚性耦合到珩磨心轴的驱动杆，并且在从耦合结构以一定轴向距离布置的至少一个轴承点处被引导，珩磨工具的至少一个切削团被设置在耦合结构和轴承点之间。作用在该切削团上的径向作用力因此在切削团的两侧均可进行调节，由此即使在高横向力作用下也能使切削团区域内的工具轴线位置保持稳定。具体地，在轴向长孔的情况下，例如长度直径比远高于3或4或5或6，轴向移动的这种类型的刚性引导已经被证明是成功的。在某些实施例中，珩磨工具远离心轴的端部被可旋转地安装在出口侧，出口侧远离相对保持器内的孔的入口侧。这种变形在具有连续孔的所有工件的情况下都是可行的。相对保持器在存在珩磨工具的轴向往复移动时能够与珩磨工具一起移动，从而被动地(没有其自身的位移驱动器)或主动地(通过位移驱动器)变精确。在相对保持器与工具一起移动的情况下，珩磨工具在心轴侧耦合结构和相对保持器之间的夹持长度在往复移动期 间保持恒定，这样可以对机械加工质量具有正面效果。还可以将相对保持器固定在相对于机器固定的位置，以使珩磨工具在往复移动期间相对于相对保持器移动。这样的实施例在结构上特别简单，原因在于它可以省去线性引导件并且还可以省去用于相对保持器的驱动器。具有孔前和孔后的引导点(前方和后方引导件)的变形和/或具有内部引导件的变形类似地也是可行的。曲轴轴承孔是一种轴向相对较长并且具有多个孔部的孔的示例，多个孔部彼此共线并且彼此间以一定的相互距离顺序设置。在这种工件的情况下，可以有至少一个用于珩磨工具的工具安装件位于两个相邻的孔部之间。在某些实施例中，这样的“内部引导件”也就是工件内的工具引导设备被设置在两个相邻的孔部之间，并因此位于孔入口和孔出口之间。用于珩磨工具的轴承点之间的轴向距离可以用这种方式保持较短，由此就能实现相对于横向力特别稳定的安装件或引导件并且能够避免或减少珩磨工具在轴承点之间弯曲。在适用于内部引导件的变形情况下，用作引导设备的工具安装件具有能够相对于机器固定的轴承元件，并且在其上或其内可旋转地安装有能够相对于该轴承元件自由旋转的引导元件，在运行期间与引导通过的旋转珩磨工具一起旋转并且引导和支撑后者克服径向作用力。可旋转的引导元件可以具有目的用于(周向互锁)接合在珩磨工具的工具主体上设置的凹口内的至少一个驱动元件，以使引导元件能够以简单和稳健的形式被构造为被动元件(没有其自身的驱动器)。在引导元件的内周上可以设有轴向连续的间隙，连接至珩磨工具的切削元件(例如珩磨磨条)能够无任何物理接触地安装通过该间隙。内部引导件与团工具相结合也可以是可取的，在彼此间隔一定轴向距离地在工具体上设置的数个切削团以用于同时珩磨彼此间隔一定轴向距离地设置的多个孔部的情况下，切削团的数量优选地对应于要同时进行机械加工的孔部数量。例如用于四气缸直列式发动机缸体的团工具可以具有用于五个轴承点的五个切削团。内部工具安装件可以随后在两个切削团之间作用于工具主体上。两个或多个内部工具安装件可以被设置，例如切削团之间的每一处中间空间都有一个。
作为通过外部径向引导设备径向引导珩磨工具的一种可选方式，在某些实施例中将珩磨工具刚性耦合至珩磨心轴或相应的刚性驱动杆并且将整个布置设计得足够刚性以使得最多只能有非常小的侧向偏转可能就足够了。就珩磨方法而言，在传统珩磨和所谓的芯轴珩磨之间可以有所区别。在传统珩磨中，使用的珩磨工具装有能够在珩磨期间径向调节的切削团，目的是通过多次行程逐渐实现所需孔的期望尺寸。另一方面，在芯轴珩磨中，使用的是预设为期望尺寸(成品尺寸)的芯轴珩磨工具，通常具有锥形切削区域并且邻接该锥形切削区域的同样执行切削的圆柱形标定区域。在芯轴珩磨的情况下，整个材料去除操作通常只需要一次或几次双向行程，例如最多为三次。两种珩磨方法在本发明的保护范围内可以择一使用或结合使用。珩磨的特征与常规珩磨相比在于大量的材料去除，还可能校正或改进同轴性。实际上需要在曲轴轴承孔的孔部上去除的材料取决于预加工，并且可以在工件的不同孔部之间以及在一系列的工件之间有所改变。通常要在至少一个或多个孔部上和/或一系列的工件上形成至少100 μ m的去除量，具体地还可以使去除的材料量介于200μπι到500 μ m之·间。在工件或工件各部分已经通过几何形状确定的切削刃进行了特别好的预加工的情况下，去除的材料量也可以少于200 μ m或者少于100 μ m。为了在短循环时间内能进行成本有效的精加工，在方法的某些变形的情况下，材料在高功率珩磨期间至少是分阶段地通过几何形状不确定的切削刃去除，其中材料去除速率Qw=V/t远大于常规珩磨的情况。在此，V是工件被机械加工切除的体积，而t是为此所需的机械加工时间，结果以[mm3/S]为单位。体积V取决于近似值V U (D2-Cl2)L)/4，其中d是去除之前(较小)的孔直径，D是去除之后(较大)的孔直径，而L是被机械加工的孔的长度或者已经增大直径后的孔部的长度。为了使数值可比较，在本申请中材料去除速率涉及的机械加工时间t=20s(对应于典型的珩磨时间)并且长度L=20mm(对应于客车发动机曲轴轴承孔中单个轴承腹板的典型腹板宽度)。用这种方式规范化的材料去除速率在本申请中被称为“比”材料去除速率并且简称为Qws。如果现在考虑的是标称直径范围从40mm到70mm的典型孔，那么比材料去除速率优选为高于13mm3/s (对于40_)和高于22mm3/s (对于70_)。这些典型下限值通常都会被大大超过。在40mm标称直径的情况下,例如可以是Qws>30mm3/s,有时也可以是Qws>50mm3/s或者甚至是Qws>100mm3/s。在70mm标称直径的情况下，例如可以是Qws>50mmVs，有时也可以是 Qws>100mm3/s 或者甚至是 Qws>150mm3/s。有助于高材料去除速率的因素包括非常规的高切削速度，这进而取决于珩磨工具的转速(转数)和/或往复速度。在方法的某些变形的情况下，珩磨工具在高功率珩磨期间至少是分阶段地以高于400rpm的转数旋转，转数优选至少分阶段地高于lOOOrpm，特别是高于1500rpm。转数经常性地处于1500rpm到2500rpm的范围内。可选地或附加地，珩磨工具在传统珩磨(具有可展开的珩磨工具)的情况下可以在高功率珩磨期间至少分阶段地以超过20m/分钟的最大往复速度移动，最大往复速度优选至少分阶段地处于30m/分钟到50m/分钟之间或者甚至是高于50m/分钟。在芯轴珩磨(具有预设工具)的情况下，能够达到超过12m/分钟特别是超过20m/分钟的最大往复速度。珩磨机器的心轴驱动器随后在最大转数、最大往复速度和驱动器输出方面进行相应设计。切削装置的具体设计可以有助于实现高材料去除速率和其他的机械加工标准。例如可以优选使用相对较长的切削磨条。在某些实施例的情况下，使用的是围绕工具主体分布有数个切削磨条的珩磨工具，切削磨条的长度超过轴向孔长度的60%特别是超过80%。可选地或附加地，切削磨条的长度可以超过珩磨工具有效直径的三倍或者四倍或者五倍。为了机械加工例如直径在40_到70_的典型曲轴轴承孔时，切削磨条长度例如可以处于200mm或更大,例如在300mm到400mm之间。在使用相对较长的切削磨条时，在使用的 行磨工具具有径向可调节的切削磨条时能够同时机械加工孔中的大片区域。在使用锥形切削磨条(芯轴珩磨)时，单次工作行程即可产生直径的大幅度改变。相对较长的切削磨条通常也对加工孔的准直度有利。
在珩磨中，优选使用相对粗磨粒的切削装置，特别是具有非常硬的切削磨粒例如金刚石切削磨粒的那些切削装置。通常，平均磨粒尺寸在约50 μ m到约150 μ m之间范围内(在例如是D54到D51的金刚石磨条的情况下)可以有利地在高去除速率以及同时在珩磨之后机械加工内表面足够精细的表面结构之间获得良好的折衷。珩磨优选地在单个阶段完成。因此在工艺链中只有单步珩磨操作以完成精加工。这就允许保持整体机械加工时间较短。尽管多阶段珩磨也是可行的，但是通常并不需要。紧接在珩磨操作之前并且在其中使用具有一个或多个几何形状确定切削刃的工具的最终精加工操作可以根据整体工艺和工件而采用不同的形式。在所述方法的某些变形的情况下，通过铰孔工具进行的铰孔操作作为采用几何形状确定的切削刃的最终精加工操作被完成。术语“铰孔”在此是指成屑的精加工方法，其中借助铰孔工具钻出具有所谓铰孔余量的现有孔。铰孔余量通常被设置为使得在一方面有最小的切屑厚度而且在另一方面不会有能够导致铰孔工具和/或工件过载的过多切屑去除。由于在铰孔中只完成单程的切屑去除，因此铰孔余量对应于切屑厚度或切削深度。这通常相对较小并且例如在所述方法的变形的情况下可以根据材料和孔径而处于例如O. 4mm到
O.8mm之间。在个别情况下,材料去除量还可以更少,例如仅为O. 2mm或更多。铰孔操作的特征还在于铰孔工具要在已经机械加工过的孔内进行精确引导。为此，一个或多个引导元件或引导部分被设置在铰孔工具上。铰孔工具可以被设置为仅有单个几何形状确定切削刃的单刃铰孔工具或者具有两个或多个几何形状确定切削刃的多刃铰孔工具。特别有利的通常是铰孔工具上设有不同的元件用于材料去除，也就是用于机械加工功能以及用于孔内的引导功能。例如，除了一个或多个工具切削刃以外，还可以设置一个或多个非切削用的引导条。机械加工任务和引导任务之间的这种分离允许根据需要以及在有必要时轻易地更换和/或精确地设置这些工具的切削刃。作为铰孔操作的替代方式，借助精确钻孔工具的精确钻孔操作可以被设置作为用几何形状确定的切削刃完成的最终精加工操作。材料去除量在此情况下优选为常规的半精加工操作的材料去除量大小的级别，也就是说例如在约O. 4mm到约O. 5mm之间。在个别情况下，材料去除量还可以更少，例如仅为O. 2mm或在直径方面更多。
用几何形状确定的切削刃完成的最终精加工操作可以被设计为单侧机械加工，其中机械加工工具仅从要机械加工的曲轴轴承孔的一侧引入。另一方面，在所述方法的另一些变形的情况下，用几何形状确定的切削刃完成的最终精加工操作被实现为双侧机械加工，具有的机械加工长度短于曲轴轴承孔长度的短工具被从曲轴轴承孔的每一端引入。短工具通常被刚性耦合至相关机械工具的机械加工心轴并且由于其小凸起而相对于横向于旋转轴线的横向作用力非常稳定，这因为其紧凑的长度，并且因此不再需要外部引导件。短工具优选地具有介于曲轴轴承孔长度的50%到80%之间的机械加工长度。通常，并非所有的孔部都用短工具加工，但是至少有一半孔部是用短工具加工。例如，在具有五个轴承腹板或孔部的四气缸缸体的情况下，五个轴承腹板中只有三个或者只有四个在所有情况下都能进行机械加工。在用于三气缸马达的发动机缸体的情况下，例如全部四个轴承腹板中的两个或三个能够在机械加工期间用从一侧引入的短工具进行机械加工。当短工具相对于机械加工心轴被精确地同轴夹持并且机械加工心轴的旋转轴线相对于孔轴线的期望位置处于同轴时，那么至少位于相应孔入口处的端腹板通常是通过双·侧机械加工而被制造成具有在公差以内的精确位置。从孔的精确位置的位于公差以外的偏差可能出现，如果出现的话，也是在位于更内侧的的孔部的情况中。尽管这种偏差会导致破坏同轴性，但是可以通过随后的珩磨操作对其进行可靠校正。双侧机械加工可以用各种方式实施。例如，可以提供具有互相面对的机械加工心轴的两个机械工具，它们的旋转轴线同轴延伸。位于机械加工心轴之间的工件的曲轴轴承孔由此即可从两侧同时进行机械加工。在可能有利的其他变形的情况下，出于包括成本在内的原因，在双侧机械加工工件时要将工件在第一机械加工(来自孔的第一端)和第二机械加工(来自孔相对的第二端)之间翻转180度。所以设置在一侧的单个机械加工心轴在此就已足够，随后在工件上先后完成两步机械加工操作。在所述方法的某些变形的情况下，双侧机械加工被设计为精确钻孔，精确钻孔工具被用作短工具。在所述方法的另一些变形的情况下，双侧机械加工被设计为铰孔操作，铰孔工具相应地被用作短工具。由于在双侧机械加工的情况下特别是在所述方法的这种变形的情况下通常至少都能将端腹板在孔上的位置精确指定在公差以内，因此就能通过用几何形状确定的切削刃进行精加工操作而确保曲轴轴承孔的位置。随后的珩磨在此情况下不必被设计用于改变位置或者校正位置，而是能够被优化用于改进孔部的同轴性并且保持直径公差和表面质量。作为双侧机械加工的一种替换方式，在所述方法的某些变形的情况下规定通过团工具来完成采用几何形状确定的切削刃的最终精加工操作，其中彼此间隔一定轴向距离的数个切削团被设置在工具主体上用于同时机械加工彼此间隔一定轴向距离设置的曲轴轴承孔的数个孔部。通常，切削团的数量在此情况下对应于要同时机械加工的孔部的数量。每一个切削团都可以具有一个或多个几何形状确定的切削刃。可以提供固定和/或可设定和/或可调节的可控切削刃。由于为了对应曲轴轴承孔相对较大的长度，团工具相对于其直径具有相对较大的工具长度，因此存在团工具侧向偏移的风险。所以在优选实施例的情况下规定团工具的远离心轴的端部被可旋转地锚定在远离曲轴轴承孔入口侧的出口侧上的相对保持器内，相对保持器在团工具轴向往复移动时优选地随团工具一起移动。特别是在使用相对安装的团工具时，借助几何形状确定的切削刃的精加工可能可以在单步机械加工操作中被用于将预加工的曲轴轴承孔机械加工到这样的程度一方面在组装好工件之后通常必须的校平，以及另一方面精加工到适合于珩磨去除的尺寸过大，这两者可在单步机械加工操作中实现。为了确保在完成精确钻孔时的米用团工具的机械加工之后，每Iv孔部都具有能够通过随后的珩磨操作可靠去除的尺寸不足，在使用团工具时优选地有以下的测量操作，其中单独检查每一个孔部以用于保持可应用于后续珩磨操作的起始参数(特别是直径)。用这种方式即可避免其中例如如果在切削团的一个中出现工具破裂，就会留有直径过小的孔部的情况，这可导致在引入珩磨工具时珩磨工具和/或工件被损坏。简单检查是否已经钻孔即可满足要求。
本发明还涉及一种适合用于实现上述方法的机械加工装置，用于精加工在内燃发动机的气缸曲轴箱中的曲轴轴承孔，带有具有机械加工心轴的至少一个机械工具和装有珩磨心轴的珩磨机器，带有几何形状确定的切削刃的精加工工具被耦合至或者可以耦合至机械加工心轴，珩磨心轴可以由心轴驱动器驱动并且珩磨工具被耦合至或者可以耦合至珩磨心轴。机械加工装置被设置用于实现在本申请中介绍的方法。珩磨工具优选被直接地或者通过中间的刚性驱动杆而刚性耦合至或者可以刚性耦合至珩磨心轴，并且轴承设备被设计用于以这样的方式在与珩磨工具中的心轴侧耦合结构间隔一定轴向距离设置的轴承点处作用在珩磨工具上珩磨工具的至少一个切削团或者一部分切削团被设置在耦合结构和轴承点之间。可以设有前方引导件和/或后方引导件和/或内部引导件。所述方法也可以在相应设计的机械加工中心上执行。上述以及更多特征不仅可以从权利要求而且也可以从说明书和附图中得出，其中各个特征在任何情况下均可通过自身实现或者在本发明实施例或其他领域中以子组合形式实现为多个并且构成有利的实施例。在附图的基础上介绍优选实施例。


图I示出了用于精加工内燃发动机气缸曲轴箱内的曲轴轴承孔的一部分机械加工装置实施例的示意性平面 图2A示出了用于珩磨曲轴轴承孔的水平珩磨机器的示意性侧视 图2B至2D示出了带有曲轴轴承孔的发动机缸体的各种视 图3示出了用在一端被相对安装并且具有锥形切削区域的芯轴珩磨工具机械加工曲轴轴承孔的示意性侧视 图4示出了具有珩磨工具的装置的示意性侧视图，珩磨工具被安装在前方引导件和后方引导件内并且通过驱动杆紧固至珩磨心轴；
图5示出了具有 行磨工具的装置的示意性侧视图， 行磨工具被直接刚性稱合至 行磨心轴，装有连续的切削磨条并且通过内部引导件可旋转地安装工件内并在相邻轴承腹板之间；以及
图6示出了珩磨操作紧接其后的双侧精确钻孔的示例。
具体实施例方式在图I中示出了用于精加工内燃发动机气缸曲轴箱内的曲轴轴承孔的一部分机械加工装置100的实施例的示意性平面图。在此仅部分示出的整套机械加工装置被设计用于在组装好发动机缸体中构成曲轴轴承孔的各个部件之后紧接着完成曲轴轴承孔的精加工。在示例中的情况下，要进行机械加工的工件150是用于直列式四气缸发动机的气缸曲轴箱。用于完成这些工件机械加工的生产线的图示细节示出了设计为精确钻孔机的机械工具，装有精确钻孔设备120和珩磨机器，然后沿着材料流182的方向装有珩磨设备140。 精确钻孔设备120和珩磨设备140在此被设置在分开的机座上，但是它们也可以被设置在公共机座上。传输设备180用于沿材料流182的方向输送工件。精确钻孔设备120包括精确钻孔心轴122，其刚性引导的心轴轴线基本上水平对齐。精确钻孔心轴可以借助心轴驱动器124水平移动或者围绕心轴轴线旋转。刚性耦合至精确钻孔心轴自由端的是精确钻孔工具128，连接至其圆周的是切削刀片129，包括用作钻尖或切削刃的硬质金属。精确钻孔心轴的轴向移动和旋转动作以及切削刃的调节都通过精确钻孔控制单元126进行控制。在典型的精确钻孔操作中，利用在约IOOOrpm到约3000rpm之间的转数以及在约200m/分钟到约1400m/分钟之间的前进速率来执行工作。相对于直径的典型切肖IJ深度(材料去除)通常介于O. 3_到Imm之间。在特殊情况下也有可能偏离这些典型的
参数范围。借助调节设备即可调节切削刃的径向位置，并且由此尤其可以固定要精确钻出的孔的直径。精确钻孔工具因此具有一个或多个可调可控的切削刃。调节设备例如可以具有设置在精确钻孔工具内的锥体并且锥体能够通过由精确钻孔心轴122引导的调节杆而轴向移动。锥体的倾斜侧面作用在工具保持器的倾斜内表面上，工具保持器在精确钻孔工具的主体内被径向可位移地引导并且相应地带动可更换的切削刀片。通过这种设置方式，切削刃129的径向位置以及带有切削刃的精确钻孔工具的有效直径即可在精确钻孔设备运行期间连续或分步地改变以作为对精确钻孔控制单元126的控制信号的反应。当存在工具磨损时，切削刀片可以重新调节，以使得即使工具磨损也不会明显损害孔的质量特别是孔的直径(磨损补偿)。精确钻孔单元120的精确钻孔心轴以及紧固至此的精确钻孔工具被设计用于实现确定位置和角度的半精加工。典型的材料去除量(相对于直径)在O. 4_以上。在个别情况下，可能也可以提供较小的例如大于O. 2mm的材料去除量。图示的精确钻孔设备是紧接在向珩磨设备140输送工件之前的加工链中的最后一处精确钻孔站。因此，用几何形状确定的切削刃进行的最终成屑精加工就在精确钻孔设备120上完成。在该精确钻孔设备之前的工件流中只有一个另外的精确钻孔单元，也就是说有被设计用于粗机械加工(典型的材料去除量在2mm到8mm之间)的粗钻孔单元(未示出)。过程可以被设计为使得在完成最终的精确钻孔之后，钻孔具有的尺寸不足在100-400 μ m的范围内，优选地直径方面在O. 2_±0. 05mm的范围内。单心轴的珩磨设备140具有珩磨单元141。其具有通过心轴驱动器144驱动的水平珩磨心轴142以使得在珩磨期间，珩磨心轴执行水平振动的工作移动，在其上叠加有围绕水平旋转轴线的旋转运动。珩磨控制单元146控制珩磨心轴的工作移动。刚性耦合至珩磨心轴142自由端的是珩磨工具148，通过它即可在将工件从精确钻孔设备输送至珩磨设备之后紧接着最终精确钻孔操作在精确钻出的曲轴轴承孔上完成珩磨操作。通过输送之后的这种珩磨即可实现相对大量的材料去除。相对于孔的直径，在典型的过程中去除至少80 μ m的尺寸过大，通过珩磨去除的尺寸过大经常在100 μ m以上。在很多情况下，通过珩磨去除的尺寸过大介于约80 μ m到约110 μ m之间，也可能会达到200 μ m,再多的情况就很罕有了。
在用几何形状确定的切削刃进行的最终机械加工阶段和开始珩磨之间不出现测量步骤，工件被直接输送至珩磨机器。以下首先介绍珩磨的结构和方法相关的变形的各种示例。在图2A中示出了能够在用于珩磨曲轴轴承孔的机械加工装置中使用的水平珩磨机器200的实施例的示意性侧视图。珩磨机器被设计为使得借助于珩磨加工过程就可以加工出相对于直径、圆柱形状和轴承点表面结构的公差。而且，如果需要并且在需要时，能够改进彼此共线的孔部的同轴性。安装在珩磨机器200的机座202上的是水平可移动的心轴滑块204，其承载头架206，其中珩磨机器的珩磨心轴210被可旋转地安装以具有水平心轴轴线211。用于心轴旋转的电旋转驱动器207被安装在头架上。平行于心轴轴线211往复移动所需的往复运动驱动器205被安装在机座内并且驱动水平对齐的带螺纹的心轴，其上装有与心轴滑块204耦合在一起的螺母。往复运动驱动器被设计为有在40m/分钟或50m/分钟或更大范围内的最大往复速度，旋转驱动器用于约为2500rpm到3000rpm的最大转数。用于往复运动和旋转的可用驱动输出在IOkW以上。在示例中的情况下，要进行机械加工的工件150是用于直列式四气缸发动机的气缸曲轴箱(参见图2B至图2D)。工件被固定地安装在紧固至机座上侧的工件保持器240上。借助于能够机器或人工致动的调节驱动器，工件保持器能够沿垂直于心轴轴线211 (Z轴)延伸的水平方向(X方向)水平移动。工件放置为使其平面的油槽连接表面156处在工件保持器上并且借助分度销242精确定位，以使工件相对于心轴轴线211的精确位置能够通过工件保持器240的位置加以固定。油槽连接表面156在这种设置的情况下用作加工基准面以用于相对于关于该机器固定的坐标系来固定关于工件固定的坐标系。在所述方法另一些变形的情况下，先前已经机械加工过的相对顶面154(用于气缸盖的连接面)用作加工基准面。在工件保持器远离心轴的一侧上，水平的线性引导设备230被紧固在机座上，其平行于心轴轴线211延伸并且其上延伸有滑块232，滑块232承载用于可旋转夹具235的轴承元件234，可旋转夹具235围绕相对于心轴轴线211同轴延伸的水平轴线可旋转地安装在轴承元件内。水平可移动、可旋转的夹具235被设置作为用于珩磨工具远离心轴一端的相对保持器。在示例中的情况下，滑块232被与往复运动驱动器的滑块204强行机械耦合在一起。也可以仅通过移动工具形成被动滑块232的移动。在另一种变形的情况下，相对保持器具有其自身的驱动器，该驱动器与珩磨心轴的往复运动驱动器同步。珩磨工具270借助不易挠曲的驱动杆220被刚性连接至珩磨心轴210。为此，驱动杆和珩磨心轴之间可释放的耦合结构225被设计为不易挠曲的刚性耦合结构用于共同旋转，形式例如为螺钉连接或简单的法兰连接。驱动杆220和珩磨工具270之间的可释放连接也是不易挠曲的并且也用于共同旋转。为此，珩磨工具的心轴侧耦合结构72例如可以被成形为螺钉螺纹，其与驱动杆工具侧一端的对应的反螺纹相互作用。在另一些实施例中，珩磨工具的心轴侧耦合结构被直接紧固至珩磨心轴的工具侧一端，以使得无需中间的驱动杆即可进行工作(参见图5B)。珩磨工具270具有狭长的圆柱形工具主体274，其上的心轴侧耦合结构272被成形在心轴侧并且圆柱形引导柄276被形成在远离心轴的一侧。在工具主体内居中延伸的工具 轴线275由于刚性耦合而与心轴轴线211同轴。径向可移动地安装的承载具有金刚石切削涂层的轴向狭长切削磨条278的承载带被安置在工具主体的径向开口内。借助互锁调节系统来执行该可展开珩磨工具的切削磨条的径向调节，并未进一步具体示出的互锁调节系统被电动或液压地驱动并且包括轴向可移动的调节杆，调节杆穿过珩磨心轴和驱动杆伸入珩磨工具内并且其末端设置为展开的椎体，其具有单个或多个支撑件并且与承载带内侧上的锥形相对面互相作用，目的是为了在调节杆有轴向位移时无需倾斜切削磨条即可确保切削磨条的径向调节。切削磨条平行于工具轴线测量的长度优选地超过要用珩磨工具机械加工的曲轴轴承孔长度的60%，甚至可能超过70%，并且在示例中的情况下甚至还可能超过80%，这在一方面有助于材料去除的高速率，并且在另一方面对孔的准直度或轴承腹板的同轴性具有有利的影响。在给出的珩磨机器的机械加工结构中，引导柄276远离心轴的一端被夹持在可旋转夹具235内。因此，珩磨工具中由切削磨条276构成的单个切削团被设置在稳定工具轴线位置的两个轴承点之间。其中一个轴承点由在头架206内的珩磨心轴210的安装件构成，相对的由安装在滑块232上的夹具235构成的轴承点能够与珩磨工具一起轴向移动并且用作相对轴承。在图2B至2D的基础上介绍工件150的某些具体特征，图2B示出了纵向截面，图2C示出了平行于曲轴轴承孔的孔轴线的平面图，并且图2D示出了平行于气缸孔的孔轴线的平面图。非常紧的公差在某些方面中应用于发动机缸体和功能面以及其上成形的孔，这就应该确保了可靠的功能。气缸孔151在圆柱形状和圆柱孔直径方面的公差通常处于几微米的范围内，还应该对表面形貌予以特别注意。100 μ m范围内的公差通常应用于气缸孔的孔轴线150之间的距离ZA，这也就是所谓的规格。在曲轴轴承孔160的区域内的用于曲轴的轴承点与气缸孔的情况相比具有一定程度上更大的尺寸公差。曲轴轴承孔与气缸孔(典型的长度直径比最大为2. 5)相比是相对较长的孔，通常具有远大于2. 5或3的长度直径比LDV，并且在示例中的情况下约为6。在四气缸直列式发动机的情况下，曲轴轴承孔具有五个孔部161到165，它们彼此间隔一定的轴向距离互相顺序地共线设置。孔部构成用于曲轴的轴承点。这些轴承点相对于彼此的同轴性在曲轴安装的情况下特别重要。轴承应该尽可能保持共线，目的是使曲轴能够同心地运行并且一致地安置在所有的轴承点处。各个轴承点的同轴性不应该超过15 μ m,或者说是远远低于。关于“同轴性”的定义可以参照DIN ISO 1101，其内容在此程度上也作为本说明书中的内容。关于曲轴轴承孔的另一个重要标准是其孔轴线166的位置，其确定了曲轴轴线在发动机运行期间的位置。术语“孔轴线的位置”在此应理解为包括该轴线的绝对空间位置及其角位置也就是空间取向。垂直位置例如可以由孔轴线与发动机缸体在孔入口或者在孔出口处的顶面154的距离ADA(或者与油槽连接面156的对应距离A0)确定。曲轴和顶面之间的距离是用于发动机的压缩的标准之一。尽管通常在此并不要求微米范围内的公差，但是期望公差在百分之几毫米的范围内。曲轴或曲轴轴承孔的孔轴线相对于气缸孔的准确位置对于减少承受高负荷的部件的磨损也很重要，其中不仅包括活塞/活塞销、连杆和曲轴上的连杆轴承，而且还包括气缸曲轴箱内的曲轴安装件。孔轴线166的角位置也就是其相对于关于工件固定的参照系的取向在此也有一定作用。孔轴线166相对于总体孔长度BL 的位置通常应该最多变化O. 05_，该值同时适用于垂直方向(顶面的方向)及其横向方向(图2B中的水平方向)。借助珩磨机器100即可在发动机缸体的情况下通过紧接在用具有几何形状确定的切削刃的工具执行的最终机械加工操作之后例如在精确钻孔操作或铰孔操作之后的珩磨来以这样的方式精加工曲轴轴承孔160 :关于孔轴线同轴性的并且还有关于轴承点的所需表面质量的所有公差均可实现。为此，可以遵循以下的过程。首先，无需中间测量操作，从精确钻孔设备输送来的气缸曲轴箱150借助分度销142以这样的方式被夹持到在扭转方面具有非常刚性的结构的准确定位的工件保持器140上使珩磨心轴的心轴轴线111与所需曲轴轴承孔的孔轴线的期望位置同轴。该轴向位置通常至少相对于要机械加工的部分孔部并不居中而是偏心地定位。而且，相对于其期望直径，孔部具有必需通过珩磨去除的尺寸不足。根据预加工的质量，尺寸不足例如可以处于至少O. Imm的范围内。在牢固地夹持工件之后，珩磨工具被从入口侧引入曲轴轴承孔内朝向心轴,达到使远离心轴的引导柄176的端部能够被引入夹具135内并被牢固地夹持在此的程度。在该预加工阶段，切削磨条处于其收回位置，以使珩磨工具刚性耦合至珩磨心轴并且驱动杆能够由此被部分弓I入曲轴轴承孔内而不接触曲轴轴承孔内的轴承点内侧。此后，打开用于展开切削团的往复运动驱动器、旋转驱动器和调节系统驱动器。为了在相对短的循环时间内实现可能的相当大的材料去除量，最大往复速度和最大转数通常远高于用于例如在机械加工气缸孔时惯用的常规珩磨的对应值。最大往复速度可以高于20m/分钟或者高于30m/分钟，最大为例如约40m/分钟；最大转数至少在珩磨阶段期间通常在IOOOrpm以上或更高，偶尔需要在2500rpm以上。在展开珩磨工具(增加直径)的后续阶段，随即通过快速旋转和快速轴向振动的珩磨工具由多刃切削磨条来首先机械加工轴承点的位于最内侧的部分。在孔部并未完全居中的情况下(例如位于内部的轴承腹板)，可以首先进行单侧局部切削，然后逐渐变为在孔部整个圆周上的完全切削。用这种方式，所有孔部逐渐被设置为圆柱形状，相对于工具轴线175居中，以使得改进轴承点的同轴性。切削速度可以位于250m/分钟或更大的范围内，例如高于300m/分钟或者高于350m/分钟或者高于400m/分钟。可实现的精加工切屑量至少在所有孔部处都进行材料去除时的结束阶段可以远大于常规珩磨操作的情形，例如在高于200mm3/s或者甚至高于500mm3/s或者更高的范围内。在本申请中，比切屑量Qws=V/T[mm3/s]被认为是用于确定切屑量的基础，其中V是通过机械加工去除的工件体积,而t是为此所需的机械加工时间。体积V取决于近似值V (π (02-(12)0/4，其中(1是去除之前(较小)的孔直径，D是去除之后(较大)的孔直径，而L是机械加工过的孔或已经增大直径后的孔部的长度。比切屑量在此被设置或者规范化为机械加工时间t=20s (对应于典型的珩磨时间)和长度L=20mm(对应于客车发动机曲轴轴承孔中单块轴承腹板的典型腹板长度)。表A(参见说明书结尾)中列出的用于切屑量的数值是针对名义孔直径为40mm到70mm具体说明的。在其中腹板数等于I的那些列·中，这些数值对应于四个不同直径的比切屑量。
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对于直列式四气缸发动机的具有60mm直径和5块轴承腹板(孔部)的典型曲轴轴承孔，其中每一块轴承腹板长度均为20mm，切屑量的值例如可以约为47mm3/s (对应于去除O. Imm直径的材料量)，并且236mm3/s的值对应于O. 5mm的材料去除量。在5块轴承腹板并且约为O. 2mm的材料去除量的情况下，对于典型的孔直径为约40mm到约70mm的曲轴轴承孔机械加工经常达到的(总)切屑量处于约60mm3/s到约IlOmmVs的范围内。这与常规珩磨方法相比有明显增加。高驱动输出与非常规的高转数和高往复速度共同允许与常规珩磨相比显著提高切削速度。这就允许在例如20秒到25秒的通常珩磨时间内达到所需的在直径方面的材料去除量，其对应远高于200mm3/s或者甚至是高于500mm3/s的切屑量。 行磨工艺参数可以相应地被设定为使得用于珩磨的珩磨时间处于曲轴轴承孔的常规珩磨的珩磨时间范围内，也就是在最多20到25秒的范围内。但是，由于珩磨使得可以省去先前必需的在先钻孔操作，因此更加快速并相应地更加成本有效的曲轴轴承孔精加工就是可行的，同时仍然至少保持相同的质量。珩磨通常允许实现小于30 μ m甚至是小于15 μ m的同轴性。在工件并未充分预加工好的情况下，如果例如通过用确定的切削刃进行机械加工只能实现显著地超过±20 μ m的孔轴线位置精确度，那么甚至可能会导致曲轴轴承孔的孔轴线位置的主动改变，但是这通常都是不必要的。为了能够例如根据需要或者在需要时校正同轴性，刚性和精确机器的概念被在珩磨机器上实施。例如，就珩磨心轴而言，与传统珩磨机器中的对应单元大不相同的精确和刚性的单元以心轴的直到被工件接收的滑动引导件的方式被提供。例如，常规珩磨机器上的珩磨心轴通常用简单的角接触滚珠轴承安装而不是用托架式角接触滚珠轴承安装。作为对t匕，头架106内的安装件提供了更加复杂的安装件，它可以被预加应力也就是说是可预加应力的径向/轴向轴承。而且，用比较长且细的珩磨工具完成加工，这在对偏心地定位的孔部的机械加工期间可能会暴露给单侧的高偏转力。即使在这些恶化的情况下，工具轴线的位置相对于孔轴线的期望位置也仍可同轴地保持稳定，原因在于珩磨工具在心轴侧被刚性连接至珩磨心轴，并且在远离心轴的一侧被相对安装在相对保持器135上。在图2A的示范性实施例中，设置了共同延伸的相对安装件，其随着心轴滑动的行程被移动并且因此不需要其自身的驱动器(被动驱动的相对轴承)。相对安装件的行程例如可以处于500_的范围内。可选地，也可以设置固定的相对安装件，例如形式为固定安装在机座上的轴承座，并且在该轴承座中设有相对于心轴轴线211同轴设置的圆柱形轴承开口，并且圆柱形引导柄207和276能够由于液压润滑而无任何间隙并且摩擦很小地被引导穿过其中。输入侧的前方引导件和输出侧的后方引导件的组合也是可行的(参见图4)。珩磨机器200被构造为水平式机器，以使得特别易于集成在自动生产线中。水平结构还有利于接触机器部件，并且由于相对安装件而对于对沿轴向方向相对较长的结构的需求也是有利的。但是，作为垂直机器也就是具有垂直对准的心轴轴线的结构原理上也是可行的。珩磨通常可以在单个机械加工阶段用简单展开的珩磨工具完成。由于需要高速率 的材料去除，因此装有金刚石切削磨粒的切削磨条是有利的，但是其他的硬切削磨粒材料例如氮化硼也可以使用。如果执行工作所用的平均磨粒尺寸是在从约50 μ m和约100 μ m之间的范围到150 μ m，那么就可以在相对高的去除速率和足够低的精加工后内表面粗糙度之间实现很好的折衷，为此经常仅需要小于约15 μ m Rz(粗糙度的平均深度)的残余粗糙度。具体地，如果需要低的残余粗糙度，那么可以在两个相继的珩磨阶段内完成加工，第二阶段用更细的磨粒尺寸进行加工。在图3的实施例中，预设为期望尺寸(成品尺寸)的珩磨工具370被用于珩磨曲轴轴承孔并且被直接刚性紧固至珩磨心轴310而并无刚性驱动杆被放置其间。用类似于图2A中实施例的方式，远离心轴的圆柱形引导销376被夹持在相对保持器335的能够与珩磨工具一起被动移动的可旋转夹具内，目的是为了克服珩磨期间可能从一侧作用的偏转力并且总是将工具轴线375的位置保持在所需的孔轴线的期望位置。珩磨工具370具有相对较长的锥形切削区域377以及在心轴侧与其直接相邻的基本为圆柱形的切削区域378，其外径对应于孔部的期望加工尺寸。锥形切削区域的直径以几度的锥角从远离心轴的前端到朝向心轴的一端连续增大。尽管锥形切削区域以及标定区域内的切削磨条能够在装入珩磨机器之前手动设定，但是在珩磨操作期间的调节是不能想象的并且没有必要，以使得可以省去用于调节系统的结构开销。由于珩磨工具在其轴向移动方面通过到珩磨心轴的刚性耦合和孔外部的远离心轴的一侧上的相对保持精确引导，因此珩磨工具不再需要可能的可展开的引导条用于在孔内支撑，从而使得珩磨工具能够具有相对简单的结构设计。尽管在用可展开珩磨工具进行常规珩磨的情况下，需要将多次的双向行程与珩磨工具的逐渐展开相结合，但是在使用这样的芯轴珩磨工具时的整体材料去除操作通常只需要一个或者几个双向行程即可。轴向往复速度通常比使用可展开珩磨工具的对应珩磨方法减小到1/5到1/10。在高性能珩磨情况下的轴向往复速度例如可以处于12m/分钟或更大的范围内。由于心轴的高转数，在这种机械加工变形的情况下这可以高达2500rpm或者甚至高达3000rpm，与和其相关的低往复速度相结合，孔部被逐渐地依次加工为成品尺寸，并且与此同时可以随着珩磨工具的推送通过对其位置进行校正，以使得在完成一次或两次的双向行程之后，所有孔部的实际位置都与通过工具轴线375规定的期望位置相吻合，并且孔部的内表面具有期望的圆柱形状和表面结构。图4和图5示出了用于可靠地切稳定地抵抗着横向力在长孔(也就是曲轴孔)中引导与其直径相比相对较长并且具有长切削磨条区域的珩磨工具的更多可行方式。在图4的实施例中，狭长的珩磨工具470通过有限挠性的驱动杆420被连接至珩磨心轴410。在切削磨条478靠近心轴和远离心轴的侧部，基本为圆柱形的工具主体构成了圆柱形的引导柄，也就是远离心轴的引导柄476和靠近心轴的引导柄477，在其自由端安置有用于耦合至驱动杆的耦合结构。远离心轴的引导柄在后方引导衬套431内被可移动地轴向引导，引导衬套431远离心轴并且被设置在工件的输出侧。朝向心轴的引导柄477以滑动方式在工件的输入侧在对应设计的前方引导衬套432内被可移动地轴向引导。引导衬套的中心轴线固定工具轴线的位置和取向，并且因此也固定了完成的曲轴轴承孔的位置和取向。在此不需要端侧的相对保持器。在图5的实施例中，装有连续长切削磨条578的珩磨工具570借助工具安装件590以径向不可移动且可绕工具轴线旋转的方式在两个轴向相邻的轴承腹板之间在工件内部被引导。图5A中以轴向截面示出并且在图5B中以平面图示出的“内部”工具安装件590 具有被紧固至机座上侧的板状轴承元件591。安置在轴承元件圆柱形开口内的是基本为环形的引导元件592，借助抗磨擦轴承将其以不受限的可旋转方式相对于轴承元件591安装，轴承元件591相对于机器固定。引导元件592具有轴向连续的适合于珩磨工具外径的引导开口 593以用于引导穿过珩磨工具。沿引导元件的圆周设置在其内表面上的是多个径向凹口 594，它们均匀地分布在圆周上，其数量对应于切削磨条的数量，并且它们的尺寸被设置为使得即使在珩磨工具最大展开时，切削磨条也能装入凹口内而并不接触引导元件。紧固至环形引导元件592的是驱动器元件595，它向内越过引导元件环形部分的内圆周伸入本来在很大程度上是圆形的通道开口 593。向内伸出的部分的尺寸被设置为使它在圆周方向上基本上无间隙地装入设于珩磨工具工具主体574上的纵向凹槽579内并且在工具主体的整个长度上平行于工具轴线在两个周向相邻的切削磨条之间居中地延伸。在珩磨开始之前，直接刚性紧固至珩磨心轴510的珩磨工具570被从输入侧推入曲轴轴承孔内并且随后开始以其远离心轴的引导柄576通过内部工具安装件590中的引导开口 593的方式穿过。珩磨工具以及可旋转引导元件592的相对旋转位置由此被选择为使得驱动器元件595向内伸出的部分已经在远离心轴的引导柄区域内被无间隙地大幅度螺纹联接到纵向凹槽579内。因此，可以确保进一步引入珩磨工具就能输送切削磨条578穿过引导环592而并不与其接触。一旦珩磨工具已经引入足够多，引导柄576的自由端即被夹持到相对保持器535内。在珩磨期间，珩磨工具来回移动的方式对应于在引导开口 593内轴向往复移动，而与此同时环形引导元件通过由驱动器元件595旋转珩磨工具而在轴承元件内旋转。这样就确保了将珩磨工具可靠支撑在工件内，从而即使在强径向力的作用下也能够最大程度地避免长珩磨工具的弯曲。由于可旋转引导元件592为被动式也就是并不具有其自身驱动器，而是通过珩磨工具的移动而随之带动，因此这样的解决方案相对廉价并且同时非常稳健并且运行可靠。这样的能够定位在轴向相邻孔部之间的中间空间内的“内部引导件”也可以在其他的示范性实施例例如在图2A所示的实施例中实现。也可以设置两个或多个内部引导件。或许还可以省去端侧的相对安装件，特别是如果将内部引导件设置在轴承腹板之间最后端侧的中间空间内的话更是如此。在所述方法的一种变形的情况下，作为特别的特征，也可以从之后用于紧固到变速器的侧面(变速器侧)或者在相对的端侧上(控制侧)将一个或多个分度孔精加工到在珩磨机器上夹持以用于珩磨操作并固定在正确位置的工件上。除了珩磨心轴以外，在珩磨机器上还可以为此设有例如两个单独的机械加工心轴，相应的铰孔工具可以刚性地耦合至此。用于位置准确地连接变速器或连接其它部件的分度孔通常在完成精确钻孔之后和在用于精确钻孔的机器上进行珩磨之前制成。为此，已经存在于工件上的粗预加工孔例如通过铰孔操作相对于曲轴轴承孔的孔轴线以小位置公差(通常为±5/100mm)被精加工。这种机械加工操作可以随后被转移至珩磨侧，目的是为了用同一设置同时(并联)或者一个接一个地完成并列的分度孔的精加工和珩磨。分度孔能够因此相对于曲轴轴承孔的对准以特别高的精度进行精加工，原因是在曲轴轴承孔上的最终材料去除机械加工操作(珩磨)和精加工标记孔之间不再必须要重新夹持工件。曲轴轴承孔是相对长孔的典型示例，也就是孔的轴向长度与孔径相比相对较大。 “长孔”在本申请中的含义通常是长度直径比LDV远大于2. 5或3，例如LDV可以超过4或者超过6或者超过8。相比之下，“短孔”例如燃烧式发动机中的气缸孔通常具有最大为2. 5的长度直径比LDV。本申请中介绍的设备和方法被特别优化用于机械加工长孔，但是原则上也可以在短孔的情况下使用。以下介绍借助具有几何形状确定的切削刃的工具进行机械加工操作的几种优选变形的示例。图6示出了气缸曲轴箱150，其被夹持在工件保持器640上，工件保持器640可以无限制地围绕垂直的工件保持器旋转轴线642旋转以用于通过几何形状确定的切削刃进行最终精加工操作。工件借助于分度设备被固定在工件保持器上的规定位置。工件保持器是具有精确钻孔心轴622的精确钻孔设备的一部分，精确钻孔心轴的旋转轴623水平延伸并且相对于工具保持器的旋转轴线642垂直延伸。精确钻孔心轴可以借助心轴驱动器水平移动或者围绕心轴轴线623旋转。刚性耦合至精确钻孔心轴622自由端的是精确钻孔工具628。硬质金属构成的一个或多个切削刀片被设置在精确钻孔工具的工具主体的圆周上，其中仅示出了一个切削刀片 629。精确钻孔工具628被成形为短工具，其具有机械加工长度AL，该长度远短于曲轴轴承孔的孔长度BL。在示例中的情况下，机械加工长度约为孔长度的60%到70%。由于刚性耦合至精确钻心轴和小凸起，因此在这种设置方式中精确钻孔工具相对于横向作用力非常稳定，并且在平行于心轴轴线623行进时，基本上是与其同轴移动而不会相对于旋转轴线横向地发生的任何明显的侧向偏离。在所示气缸体的情况下，对于四缸直列式发动机，曲轴轴承孔160共具有五个孔部构成了用于曲轴的轴承点，也就是第一孔部161、第二孔部162、第三孔部163、第四孔部164和第五孔部165。在作为示例示出的双侧机械加工中，工件150首先如图所示被带入第一旋转位置，其中第五孔部165的孔末端面向精确钻孔心轴622。为了进行机械加工，工件位置被设定为使得心轴轴线623和与其共线的精确钻孔工具旋转轴线保持与孔轴线166的期望位置同轴。然后，精确钻孔工具被设置为旋转并沿着工件方向缓慢前进，以使得首先是第五孔部165，然后是第四孔部164并且最后是第三孔部162都依次通过精确钻孔进行机械加工(给出了机械加工的状态)。位于远离心轴一侧的第一和第二孔部161，162在该机械加工阶段保持未加工状态。然后 ，精确钻孔工具被从孔中抽回并且将工件围绕工件保持器的旋转轴线642旋转180度。此后，旋转工具从孔以第一孔部161开始的一侧引入。精确钻孔工具在此情况下再次相对于孔轴线166同轴推进，直到类似地机械加工完第一孔部和第二孔部为止。此后，精确钻孔工具再次从孔中收回并完成双侧机械加工操作。在这种双侧机械加工中，至少端侧孔部也就是第一孔部161和第五孔部165的位置通常要相对于孔轴线166的期望位置高精度地准确定位。就位置进一步向内的孔部而言，可能因精确钻孔工具在轴向推进过程中略微向侧面偏离而造成小偏差。由于“孔轴线位置”是由入口侧和出口侧的轴承点的位置决定，因此双侧机械加工中的孔轴线位置能够以高可靠性精确设定。同轴性也可以因为内侧放置的腹板并未处于其精确位置而有可能位于公差范围以外。同轴性可以通过后续的珩磨操作校正，并因此被带入公差范围内。在图6所示示例的情况下，用几何形状确定的切削刃进行的最终精加工操作以半精加工方式被设计为具有在O. 4mm到O. 5mm之间的典型材料去除量。随后通过珩磨来完成整体去除的其余部分。而且在使用铰孔工具用于以几何形状确定的切削刃进行最终精加工操作时，对应的双侧机械加工可以是有利的，短工具相应地被设计为铰孔工具，用工具侧的引导元件在通过铰孔已经机械加工过的孔部内径向引导铰孔工具。在某些实施例中，对应的具有更多材料去除的双侧机械加工也在用几何形状确定的切削刃进行的最终精加工操作之前的校平操作的情况下提供，其中紧接在安装轴承盖之后也就是说在预加工曲轴轴承孔之后就通过几何形状确定的切削刃以具有相对较高的材料去除量的方式机械加工曲轴轴承孔，目的是为了减小可能由组装造成的不规则。优选实施例中校平操作的典型最大材料去除量在直径方面处于约1_到约2mm之间的范围内。本文中通过示例介绍的各种精加工操作可以加以组合以形成不同的工艺链。在一种变形的情况下，双侧校平操作首先借助适当强力去除的精确钻孔工具来完成。由于在向珩磨设备输送工件之前先用几何形状确定的切削刃进行最终精加工操作，所以在其后进行在图6的基础上介绍的双侧半精加工切削。在这种方法的一种变形的情况下，使用装有引导件的铰孔工具代替用于半精加工切削的精确钻孔工具。两种变形中在输送之后都是珩磨操作，珩磨操作优选地执行为芯轴珩磨操作(参见图3和相关说明)。在所述方法的另一种变形的情况下，校平操作是在单独的机器上进行。例如根据循环时间，校平步骤可以在其自身的位置上用相对安装的钻杆完成或者与用相对安装的钻杆进行的半精加工操作相结合地完成。如果校平步骤是在单独的机器上完成，那么接下来可以类似地在单独的机器上用相对安装的精确钻孔团工具进行半精加工精确钻孔操作，其中对于每一个要机械加工的孔部都设有其自身的切削团，团工具具有一个或多个几何形状确定的切削刃。同样地，在此向珩磨设备输送之后是珩磨操作，珩磨操作优选地被设计为芯轴珩磨操作。精加工方法及其所用该设备在精加工曲轴轴承孔时提供了用于显著缩短工艺链
的方式的可能性。
权利要求
1.一种用于精加工内燃发动机气缸曲轴箱内的曲轴轴承孔的方法，其中从预加工的曲轴轴承孔开始，精加工过的曲轴轴承孔被加工为具有可规定的期望尺寸、可规定的孔内表面期望结构和可规定的孔轴线期望位置，预加工的曲轴轴承孔首先用至少一个具有几何形状确定的切削刃的精加工工具进行精加工，并随后执行曲轴轴承孔的珩磨， 其特征在于，用几何形状确定的切削刃完成的最终精加工操作紧接在珩磨之前，至少O.4mm的余量被去除,并且 其特征还在于，珩磨工具相对于孔轴线的期望位置被同轴地引入孔内并且在孔内移动，至少O. 08mm的余量在 行磨期间被去除。
2.如权利要求I所述的方法，其中在用几何形状确定的切削刃完成最终精加工操作之后，进行珩磨工件而并无中间测量操作。
3.如权利要求I或2所述的方法，其中珩磨工具在珩磨期间被径向引导，径向引导尤其通过以下方式实现(i)珩磨工具通过心轴侧耦合结构刚性耦合至珩磨心轴或驱动杆，驱动杆被刚性耦合至珩磨心轴，并且珩磨工具在与耦合结构间隔一定轴向距离地布置的至少一个轴承点处被引导，珩磨工具的至少一个切削团被设置在耦合结构和轴承点之间，和/或 ( )珩磨工具远离心轴的端部被在相对保持器内可旋转地安装在出口侧，出口侧远离孔的入口侧，相对保持器在珩磨工具轴向往复移动时优选地与珩磨工具一起移动，和/或 (iii)珩磨工具具有心轴附近的引导部分和远离心轴的引导部分，其中心轴附近的引导部分在工件的输入侧在前方引导设备中被轴向可移动地引导，并且远离心轴的引导部分在远离心轴的设置在工件输出侧的后方引导设备中被轴向可移动地引导，和/或 (iv)珩磨工具被引导和支撑以克服在两个相邻孔部之间的至少一个位置处的径向作用力。
4.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，其中工件被固定在工件位置并且珩磨工具相对于孔轴线的期望位置被同轴地引入孔内并在孔内移动。
5.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，在一个或多个孔部上珩磨期间产生至少100 μ m的材料去除量，材料去除量尤其介于100 μ m到200 μ m之间。
6.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，其中在珩磨期间至少分阶段地通过机械加工以超过13mm3/s特别是超过20mm3/s的比切屑量去除材料。
7.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，其中珩磨工具在珩磨期间至少是分阶段地以高于400rpm的转数旋转，转数优选至少分阶段地高于lOOOrpm，特别是高于1500rpm，和/或其中珩磨工具在珩磨期间至少分阶段地以超过12m/分钟的最大往复速度移动，最大往复速度优选至少分阶段地超过20m/分钟，特别是处于30m/分钟到40m/分钟之间。
8.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，其中在珩磨中使用的珩磨工具围绕工具主体分布有数个切削磨条，并且切削磨条的长度超过珩磨工具有效直径的三倍，特别是超过四倍，和/或其中在珩磨操作中使用的珩磨工具带有的切削装置具有在从约50 μ m到约150 μ m之间范围内的平均磨粒尺寸。
9.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，其中通过铰孔工具进行的铰孔操作或者通过精确钻孔工具进行的精确钻孔操作被执行作为用几何形状确定的切削刃进行的最终精加工操作。
10.如以上权利要求中的任意一项所述的方法，其中用几何形状确定的切削刃进行的最终精加工操作被设计为双侧机械加工，具有的机械加工长度短于曲轴轴承孔长度的短工具被从曲轴轴承孔的每一端引入，在双侧机械加工中，工件优选地在用短工具进行的第一机械加工和第二机械加工之间被转180度。
11.如权利要求10所述的方法，其中短工具是精确钻孔工具或铰孔工具。
12.如权利要求I至9中的任意一项所述的方法，其中用几何形状确定的切削刃进行的最终精加工操作通过团工具完成，其中彼此间隔一定轴向距离设置的多个切削团被设置在工具主体上用于同时机械加工彼此间隔一定轴向距离设置的曲轴轴承孔的多个孔部，团工具的远离心轴的端部优选被可旋转地安装在位于远离曲轴轴承孔入口侧的出口侧的相对保持器内，相对保持器尤其在团工具轴向往复移动时与团工具一起移动。
13.用于精加工内燃发动机气缸曲轴箱内的曲轴轴承孔的机械加工装置，具有 带有机械加工心轴的至少一个机器工具，装有几何形状确定的切削刃的精加工工具被耦合至或者可以耦合至机械加工心轴，以及具有带有珩磨心轴的珩磨机器，珩磨心轴可以由心轴驱动器驱动并且珩磨工具被耦合至或者可以耦合至珩磨心轴， 其特征在于，机械加工装置被设置用于实现如以上权利要求中的任意一项所述的方法。
14.如权利要求13所述的机械加工装置，其中在机器工具和珩磨机器之间的工件流内并不设置单独的测量站。
全文摘要
本发明涉及用于精加工曲轴轴承孔的方法和机械加工装置。在该方法中，从预加工的曲轴轴承孔开始，精加工过的曲轴轴承孔可被加工为具有可规定的期望尺寸、孔内表面期望结构和孔轴线期望位置。为此，预加工的曲轴轴承孔首先用至少一个具有几何形状确定的切削刃的精加工工具进行精加工，并随后完成曲轴轴承孔的珩磨。所述方法的特征在于，在紧接珩磨之前用几何形状确定的切削刃进行的最终精加工操作中，至少0.4mm的余量被去除，并且还在于珩磨工具相对于孔轴线的期望位置被同轴地引入孔内并且在孔内移动，至少0.08mm的余量在珩磨期间被去除。所述方法使得可以比先前更加成本有效地精加工曲轴轴承孔，同时仍保持对机械加工精度的最高要求。
文档编号B24B33/02GK102896576SQ20121026309
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者B.纳格, M.马耶, G.旺克米勒, G.瓦塞曼恩 申请人:纳格尔机械及工具制造厂有限责任公司, 格罗布－工程有限责任两合公司