Hochschule Harz

Fachbereich Automatisierung und Informatik

Diplomarbeit

im Studiengang

Wirtschaftsingenieurwesen

Studienrichtung

Umwelt- und Logistikmanagement

Thema:

Erarbeitung eines technologischen Konzeptes

- unter der Beachtung von IT - Aspekten -
für die Einführung eines neuen Produktes

in einem mittelständischen Unternehmen

aus dem Bereich Automotive.

vorgelegt von

Schneider, Matthias

ausgegeben am 05.06.2000

eingereicht am 04.09.2000

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Kurzreferat

Schneider, Matthias

Erarbeiten eines technologischen Konzeptes zum Schleifen von Nockenwellen
unter Beachtung vorhandener Hard- und Softwarekomponenten

Diplomarbeit Hochschule Harz, FB Automatisierung und Informatik, 2000

61 Textseiten, 24 Anlagen, 34 Bilder, 18 Literaturstellen

In der Arbeit wird ein technologisches Konzept erarbeitet um verschiedenste

Nockenwellen auf einer Universal-Schleifmaschine zu schleifen. Dazu mussten

Erfahrungen über das CNC-Unrundschleifen von Nocken gesammelt werden.

Eine Recherche untersucht die verschiedenen Arten von Nockenwellen und die

wichtigsten Nockenformen. Der Grund dafür: Die Anforderungen an das

Schleifen sind abhängig von der Nockenform.

Für das Schleifen der Nockenwelle mussten Programme für die Steuerung

programmiert werden. Die Programmierung wurde auf einem PC und an der

Steuerung der Schleifmaschine durchgeführt. Probleme wie die

Winkelpositionierung und eine spielfreie Werkstückmitnahme mussten gelöst

werden. Die Prozessführung wurde über die konstante Werkstück-

Drehgeschwindigkeit geführt. Für zwei mögliche Varianten der Nockenkontur-

Daten (Hubwertetabellen, CAD-Daten) wurde der Arbeitsablauf entwickelt. Das

Schleifen zylindrischer Nocken konnte schnell umgesetzt werden. Eine

besondere Lösung erforderte die konkave Geometrie von Nocken. Mit der CAD-

Technik wurde dafür eine Pseudo-Nockenwelle konstruiert. Sie vereint die

Eigenschaft (Nockenkontur) vieler Nockenwellen in sich. Die Pseudo-

Nockenwelle testet zugleich den maximalen Grenzbereich der Schleifmaschine

(konkave Geometrie). Für einen größeren Arbeitsbereich der Schleifmaschine

wird eine Lösung vorgeschlagen.

Anschließend sind die Kosten für die Herstellung einer geschliffenen

Nockenwelle berechnet wurden. Die Kalkulation ist mit branchen- und

betriebsüblichen Maschinenstundensätzen durchgeführt. Das Ergebnis zeigt

das sich eine wirtschaftliche Fertigung von Prototypen-Nockenwellen rechnet.

Eine Zusammenfassung der Realisierungen und ein Ausblick in die Zukunft der

Nockenwelle beenden diese Arbeit.

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abstract

Schneider, Matthias

A technological concept is develop to grind camshafts under consideration of
hard- and software components

Diplomarbeit Hochschule Harz, FB Automatisierung und Informatik, 2000

61 textpages, 24 attachments, 34 pictures, 18 bibliographic references

In the paper a technological concept has been elaborated to grind the most

various camshafts at a universal grinding machine. For this subject, we had to

gain experience on the CNC-noncircular grinding of cams.

An investigation analyses the various types of camshafts and the major forms of

cams. The reason why is, that the requirements to the grinding depend on the

form of the cam.

For grinding the camshaft programmes had to be eleborated for the control.

The programming was carried out at a PC and at the control of the CNC-

machine. We had to solve problems like the positioning of angles and a no-

clearance drive of the workpiece. The process was guided by the constant rate

of workpiece rotation. The work flow of the contour grinding process has been

developed for two possible variations of the geometric data of cam contours

(lift tables, CAD data). It was easily possible to grind cylindric cams. We faced

difficulties in grinding concave countours of cams. By means of CAD technology

a pseudo-camshaft was constructed. It combines the characteristics of many

camshafts. At the same time, the pseudo-camshaft tests the maximum range of

the grinding machine (concave geometric). We suggest a solution for a larger

working range of the grinding machine.

After that, we calculated the costs for manufacturing a grinded camshaft. The

calculation was done by using machine hour rates that are customary in the

trade and plant. The result shows that an economical manufacturing of

prototype camshafts is profitable. A summary of implementations and prospects

of the future of camshafts wind up this paper.

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Erarbeitung eines technologischen Konzeptes

zum Schleifen von Nockenwellen

unter Beachtung vorhandener Hard- und Softwarekomponenten

Schneider, Matthias

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- I -

Inhaltsverzeichnis

Kurzreferat / Abstract I

Abbildungsverzeichnis II

Abkürzungsverzeichnis III

1.

Einleitung 11

1.1

Erläuterung der Aufgabenstellung 11

1.2

Beschreibung des Lösungsweges 12

2.

Konzept Prototypenfertigung Nockenwelle 14

3.

Teilerecherche zum Produkt Nockenwelle 19

3.1

Nockenwellentypen, -arten und Geometrien 19

3.2

Märkte und Innovationen 24

4.

Technologisches Konzept 26

4.1 Fertigungsverfahren 26

4.2 Fertigungsumgebung 31

4.2.1 Schleifmaschine 31

4.2.2. Software 33

4.2.3 Werkzeuge 35

4.3 Fertigungsplanung 39

4.4 Technologische Versuche 41

4.6 Vorschläge Maschinenerweiterung 45

---

5.

Kostendarstellung 48

5.1 Herstellkosten und Selbstkosten 49

5.2 Kalkulationseinzelkosten 53

5.3 Marktpreise 55

6.

Realisierung des Vorschlagkonzeptes 57

7.

Ausblick in die Nockenwellenzukunft 58

Literaturverzeichnis 59

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- II -

Abbildungsverzeichnis

Seite

Abb.3

Haupteinflüsse auf das

Schleifergebnis

15

Abb.4

Nockenwellenarten

19

Abb.5

Nockengeometrien

21

Abb.6

Nockendefinitionen

22

Abb.7

Rollenschlepphebel

22

Abb.8

Skizze:

Tassenstößel

23

Abb.9

SUPERFINISH: Einstechbearbeitung mit Stein

25

Abb.10 SUPERFINISH:

Bandschleifen

25

Abb.11

Einordnung des NW-Schleifens nach DIN 8580

26

Abb.12 Schleifverfahren

für

die

Nockenwellen-Lager

27

Abb.13

Tabelle: Unterschiede Rundschleifen / Unrundschleifen

28

Abb.14 Zustellung

29

Abb.15 Werkstückdrehgeschwindigkeit

29

Abb.16 Schnittgeschwindigkeit

30

Abb.17 Schleifscheibendurchmesser

30

Abb.18

Merkmalskennzeichnung an Schleifscheiben

35

Abb.19 Werkzeugkosten

CBN-Großserie

36

Abb.20 Kostentendenz

von Korund und CBN

38

Abb.21 Diagramm:

Korngrößen

/

Oberflächen

38

Abb.22 Organigramm:

Fertigungsablaufplan

39

Abb.23 Nockenwellenpositionierung

40

Abb.24

Vorschub über vc

40

Abb.25 Versuchsprotokoll

zu

den

Schleifversuchen

43

Abb.26 Programmprotokoll

des

ersten Schleifprogramms

43

Abb.27 Schleifeinrichtung

/

Maschinenerweiterung an T3

45

Abb.28 Schleifeinrichtung

nach

der Maschinenerweiterung

47

Abb.29 Ermittlung

der

Fertigungsgemeinkosten

48

Abb.30

Tabelle: Ermittlung von Selbstkosten und Angebotspreis

51

Abb.31

Tabelle: Lohnkosten im

Bearbeitungsprozess

52

Abb.32 Preisliste:

Spezial-Nockenwellen

56

Abb.33

Erfüllung der Anforderungen an die Nockenwellen

57

Abb.34 Ausblick:

Elektro-Hydraulische Ventilsteuerung

58

Gleichung1 Auswahl des geeigneten Schleifscheibendurchmessers 20

---

- III -

Seite 9

Abkürzungsverzeichnis

Ac

Beschleunigung der C-Achse [°/s²], dient zur Ermittlung der

beschleunigungskritischen Konturstücke.

ASCII-Format

American Standard Code for Information Interchange; Zeichencode

Ax

Beschleunigung der X-Achse [mm/s²], dient zur Ermittlung der

beschleunigungskritischen Konturstücke.

CAD computer aided design; Konstruieren und Zeichnen auf einem Computer,

der diesen Prozess mit seinen Werkzeugen unterstützt.

delta x

Abweichung der berechneten Kontur von der Sollkontur in mm.

Diese Abweichung tritt nur bei interpolierten Kurven auf. Für Konturen,

die aus Geraden- und Kreisstücken zusammengesetzt sind, wird der

CNC-Code exakt generiert.

delta b

Tangentenübergangswinkel

Winkel zwischen den Tangenten benachbarter Interpolationskurven am

gemeinsamen Stützpunkt. Dieser Winkel tritt nur bei interpolierten

Kurven auf. Für Konturen, die aus Geraden- und Kreisstücken

zusammengesetzt sind, wird der CNC-Code exakt generiert.

Hubwertetabelle

In einer Hubwertetabelle ist tabellarisch der Hubwert dem jeweiligen

Drehwinkel zugeordnet. In der ersten Spalte steht der Drehwinkel, in der

zweiten Spalte der dazugehörige Hubwert.

Inhouse-Bearbeitung

Schleifen der Nockenkontur einer Nockenwelle

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