Nockenwelle entgraten und reinigen: 66 Sekunden für zwei Teile bei 3 mg

Übersicht

Eine Nockenwelle ist eine lange, schlanke Welle mit einer Reihe von Nockenprofilen, die auf eine Toleranz im Hundertstel-Millimeter-Bereich geschliffen wurden. Nach dem Bohren weist sie zudem Ölbohrungen auf, die die Lagerstellen kreuzen, sowie Grate, die genau dort sitzen, wo das Öl hindurchfließen muss.

Die Entgratung stellt daher ein anderes Problem dar als die Entgratung eines Blocks oder eines Gehäuses: Der Grat ist klein, doch die benachbarte Oberfläche ist das fertige Profil; eine Bürste oder ein Schneidwerkzeug, das den Grat entfernt, während es gleichzeitig die Nocke berührt, erzeugt ein Ausschuss-Teil. Auch die Reinigung stellt ein anderes Problem dar, da die Ölbohrungen klein sind und die Welle nicht von außen überflutet werden kann.

Die hier beschriebene Anlage führt beide Prozesse in einem Gehäuse innerhalb von 66 Sekunden für zwei Teile durch und hält das Teil bei oder unter 3 mg. Big Bird Industrial (ehemals Shimada Big Bird Industrial) baut seit 2001 Reinigungs- und Entgratsysteme für Krafttrain-Komponenten der Automobilindustrie; die Anordnung orientiert sich an Produktionslinien für Nockenwellen statt an einer Laboranordnung.

1. Was macht eine Nockenwelle anders

Zwei Eigenschaften unterscheiden eine Nockenwelle von anderen Entgrataufgaben: Sie ist schlank, und ihre funktionale Oberfläche ist schwer zugänglich, ohne sie zu berühren.

Ein schlankes Teil, das durchbiegt

Eine Nockenwelle, die an beiden Enden gestützt wird, durchbiegt sich unter ihrem eigenen Gewicht sowie unter jeder Klemmkraft. Das ist entscheidend, weil das Entgraten Kontakt erfordert – und Kontakt an einer schlanken Welle verändert die Geometrie, auf die sie geschliffen wurde. Die Stützung an mehr als zwei Punkten sowie der Einsatz von Werkzeugen mit kontrollierter Kraft statt alleiniger Positionssteuerung bewahren das Profil.

Das Profil ist die Referenz

Auf einem Block ist die Fläche neben einem Grat üblicherweise eine allgemeine Gießfläche mit großzügiger Toleranz. Bei einer Nockenwelle ist die Fläche neben dem Grat die Nocke, und die Nocke ist der Grund, warum das Teil existiert. Jede Entgratmethode muss danach beurteilt werden, ob sie Material von der Kante entfernen kann, ohne die angrenzende Fläche zu verändern.

2. Wo die Grate tatsächlich sitzen

Grate an Nockenwellen konzentrieren sich an einer kleinen Anzahl von Stellen, und jede erfordert eine andere Behandlung.

Ölbohrungs-Schnittstellen

Jede gebohrte Ölbohrung mündet in ein Lager oder in eine Nockenflanke, und die Austrittskante weist einen Grat auf der Innenseite des Bohrlochs auf. Dieser Grat ist der schädlichste am Teil, weil er sich löst und in den Ölstrom gelangt, wodurch er eine Lagerfläche erreicht. Er ist zudem am schwersten zugänglich, da er innerhalb eines Bohrlochs sitzt, das möglicherweise nur wenige Millimeter Durchmesser aufweist.

Nockenkanten und Keilnuten

Die Flankenkanten einer geschliffenen Nocke weisen eine feine Gratbildung vom Schleifen auf, während eine Nut oder eine Kettenradpassung einen stärkeren Grat vom Fräsen aufweist. Der feine Grat kann mit einer Bürste entfernt werden; der stärkere Grat erfordert ein Werkzeug, das die Kante aus einer Richtung anfahren muss, die die Flanke nicht berührt.

3. Entgraten ohne Berührung des Profils

Das Verfahren muss Material von einer Kante entfernen, während die angrenzende Fläche unberührt bleibt; bei einer Nockenwelle liegen diese beiden Flächen nur Millimeter auseinander.

Kraftsteuerung statt Positionssteuerung

Ein Roboter, der auf eine Position gefahren wird, drückt die Bürste mit einer Kraft in die Nocke, die durch den jeweiligen Positionsfehler bestimmt ist. Ein Roboter mit Kraftsteuerung folgt der Kante mit einer definierten Kontaktkraft, wodurch die Bürste stets am Grat bleibt – unabhängig davon, wo sich die geschliffene Fläche tatsächlich befindet. Bei einem schlanken Teil macht dieser Unterschied den Unterschied zwischen einer entgrateten und einer aussortierten Nockenwelle aus.

Nassentgraten in derselben Zelle

Das Entgraten innerhalb der Reinigungszelle unter Flutung fängt die Späne in Flüssigkeit ein, statt sie in die Luft freizusetzen. Bei einer Nockenwelle ist dies wichtiger als bei einem Block, weil die Späne fein sind und die Öllöcher nahe der Arbeitsstelle der Bürste liegen.

4. Reinigen der Öllöcher

Ein Nockenwellen-Ölbohrloch ist klein, oft schräg angeordnet und mündet auf eine Oberfläche, die sauber bleiben muss. Das Besprühen der Welle von außen benetzt sie, spült die Bohrlöcher jedoch nicht aus.

Durchspülen durch das Loch

Der wirksame Ansatz besteht darin, Flüssigkeit direkt in das Loch einzuleiten, sodass sie durch die Austrittsöffnung austritt und dabei das Gratsplitter mit sich führt. Dazu ist eine Düse erforderlich, die dicht am Eintritt abschließt, oder eine Sonde, die in das Loch eindringt; zudem muss der Druck hoch genug sein, um ein Splitterstück gegen die Wand eines engen Bohrlochs zu bewegen.

Warum die Reihenfolge entscheidend ist

Ein Durchspülen vor dem Entgraten ist unnötige Arbeit, da das Entgraten erst die Splitter erzeugt. Ein Durchspülen nach dem Entgraten, aber vor dem Spülen, lässt die Splitter bis zum Spülvorgang im Ölbohrloch verbleiben, der sie dann verdünnt. Die funktionierende Abfolge lautet: entgraten, durchspülen, spülen, trocknen – wobei die Durchspülung mit separat gefilterter Flüssigkeit erfolgen muss, damit Schmutzteilchen des vorherigen Teils nicht zurückgeführt werden.

5. Der 66-Sekunden-Zweischritt-Zyklus

Die Anlage führt pro Zyklus zwei Nockenwellen in 66 Sekunden durch und hält das Teil bei oder unter 3 mg. Zwei Teile pro Zyklus ist keine zufällige Folge der Maschinengröße: Es gleicht die Entgratungszeit mit der Reinigungszeit ab, sodass keiner der beiden Schritte auf den anderen warten muss.

Warum die Paarung bei einem schlanken Teil funktioniert

Eine Nockenwelle nimmt im Verhältnis zu ihrer Länge wenig Volumen ein; daher bleibt eine Kammer, die für ein Einzelteil ausgelegt ist, größtenteils leer. Durch das gleichzeitige Einladen zweier Nockenwellen – jeweils an ihren Enden gestützt und voneinander getrennt – wird dieses Volumen genutzt, ohne die Kammergröße zu erhöhen. Dadurch steigt die Durchsatzleistung pro Einheit Gehäusevolumen – nicht pro Einheit Energieverbrauch.

Was die 66 Sekunden festlegt

Der Zyklus wird durch die Entgratungsbewegung bestimmt, nicht durch die Spülung. Ein Bürstenprogramm, das mehrere Nocken und mehrere Ölbohrungsaustritte an zwei Wellen abfährt, ist lang; die Spülphasen sind kürzer als die Entgratungsphase. Diese Verteilung erklärt, warum eine Nockenwellenzelle anders aussieht als eine Gehäusezelle, bei der die Spülung dominiert.

6. Verifizierung

Die Prüfung einer Nockenwelle umfasst zwei Teile, die häufig verwechselt werden: die Gratabbildung und die Sauberkeit. Ein Teil kann frei von Graten sein, aber dennoch die Massengrenze überschreiten, weil sich Entgratungsreste noch innerhalb des Ölopfers befinden. Ein Teil kann die Massengrenze einhalten und dennoch einen Grat aufweisen, der später abbrechen wird.

Die praktische Prüfung besteht aus einer visuellen Kontrolle der vorgegebenen Kanten unter Vergrößerung sowie einer Messung des Innern des Ölopfers, die bestätigt, dass das Durchspülen erfolgreich war. Die alleinige Prüfung der Außenseite der Welle testet lediglich die Oberfläche, die der Kunde niemals zu sehen bekommt. Bei einer Nockenwelle werden beide Prüfungen zudem zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt: Die Kantenerkennung kann am ersten Teil eines Loses erfolgen, während die Durchspülprüfung an Stichproben aus der Mitte und vom Ende des Loses durchgeführt wird, da sich eine Bürste im Laufe des Loses abnutzt und dadurch verändert, was in die Bohrungen gelangt.

Häufig gestellte Fragen

Können Nockenwellen in derselben Maschine wie Motorblöcke entgratet werden?

Nur selten im selben Zyklus. Eine Blockzelle verwendet hohen Druck und großen Durchfluss an einem massiven Teil, während eine Nockenwelle kraftgesteuerte Werkzeuge an einem schlanken Teil benötigt. Sie können ein Gebäude und eine Filtrationsphilosophie teilen, nicht jedoch eine Kammer.

Wie wird die Nocke vor der Bürste geschützt?

Durch Steuerung der Kontaktkraft statt der Position und durch Auswahl einer Bürste mit ausreichend geringer Steifigkeit, um bei dieser Kraft keine Spuren auf einer geschliffenen Oberfläche zu hinterlassen. Die beiden Einstellungen werden gemeinsam gewählt.

Ist 3 mg realistisch für ein Teil dieser Länge?

Es ist realistisch, wenn die Öllöcher gespült statt besprüht werden und wenn der Spülkreislauf separat gehalten wird. Die meisten Ausfälle bei Nockenwellen resultieren aus den Löchern und nicht von der Außenfläche.

Was begrenzt die Taktzeit?

Das Entgratprogramm. Das Bearbeiten mehrerer Nocken und mehrerer Lochaustritte mit einem gesteuerten Werkzeug dauert länger als das Reinigen desselben Teils – das Gegenteil einer Gehäuselinie.

Fazit

Eine Nockenwelle wird an einer fertigen Oberfläche statt an einer rohen entgratet, und das ist es, was das Verfahren einschränkt. Kraftgesteuerte Werkzeuge, Nassbetrieb und eine Spülung durch jedes Öloch sind die drei Entscheidungen, die eine kombinierte Zelle funktionsfähig machen.

Die Spezifikation sollte die zu entgratenden Kanten, die zu spülenden Öllöcher, die Sauberkeitsgrenze und die Zykluseinheit benennen. Eine Nockenwellenzelle, die mit zwei Teilen pro Zyklus bei 66 Sekunden angegeben ist, ist nur vergleichbar, wenn die zweite Angabe zusammen mit ihr genannt wird. Gleiches gilt für eine Zelle, die mit drei Milligramm angegeben ist, denn der Bereich, auf den dieser Wert sich bezieht, ist genauso wichtig wie der Wert selbst. Ein Wert, der an der Außenseite der Welle ermittelt wurde, beschreibt ein anderes Bauteil als einer, der innerhalb der Öllöcher ermittelt wurde.