Funktionsbezogene Erfassung und Analyse der geometrischen Abweichungen sowie Oberflächeneigenschaften von Werkstücken für die Automobilindustrie

Abstract

In dieser Arbeit wird ein für die Automobilindustrie verwendetes Werkstück bzw. eine Nockenwelle auf die geometrische Produktspezifikationen und Verifikationen untersucht. Die für die Bewertung erforderlichen Messungen werden in einem Präzisionslabor durchgeführt. Für die geometrische Erfassung des Werstückes wird eine Koordinatenmessmaschine verwendet. Die Oberflächeninspektion erfolgt durch die Nutzung eines Tastschnittgerätes und eines Laserscanningmikroskops sowie eines digitalen Mikroskops. Die berührenden Messverfahren werden mit berührungslosen Messverfahren verglichen. Die Messergebnisse werden ausgewertet und die Optimierungsmöglichkeiten vorgestellt. In der letzten Zeit wird immer mehr gefordert, dass der Kraftstoffverbrauch eines Automobilmotors durch Erhöhung der Effizienz des Motors verbessert und die Verminderung eines Reibungsverlustes eines Verbrennungsmotors als eines der wirksamen Maßnahmen für die Lösung dieses Problems untersucht wird. Es ist jedoch schwierig, eine hochgenaue, superpräzise Endbearbeitung an einer kompliziert geformten Oberfläche anzuwenden, wie z.B. an der Oberfläche eines Nockens, dabei wird viel Zeit und Arbeit benötigt, so dass die Bearbeitungskosten sehr hoch werden. Aus diesem Grund wird die Ermittlung der wichtigsten Oberflächenparameter immer wichtiger. In einem aktuellen Nockenwellen-Projekt eines großen Lkw-Herstellers wird ein Hybridprozess, bestehend aus einer Stein-finish-Bearbeitung und einer anschließenden Band-finish-Bearbeitung der Nocken und Lagerstellen konzipiert. Um die Anforderungen an der Nockenwelle zu erfüllen, muss die Geometrie des Werkstückes bekannt sein. Durch die geometrischen Produktspezifikationen und Verifikationen lassen sich sehr gute Ergebnisse erzielen. Die Festlegung der geometrischen Abweichungen werden dazu verwendet, den Herstellungsprozess zu regeln. Die Managementstrategie zur Bestimmung der Spezifikationsgrenzen (des Spezifikationsoperators) legt den Zusammenhang zwischen den Funktionsgrenzen und den auf der Zeichnung angegebenen Spezifikationsgrenzen fest. Entscheidend ist die Auswahl der richtigen Merkmale für die richtigen Geometrieelemente um sicherzustellen, dass die Spezifikation funktionell relevant ist. Die geometrische Spezifikation ist der Schritt der Konstruktion, bei dem der Bereich der zulässigen Abweichungen eines Werkstücks festgelegt wird, um so den geforderten funktionalen Leistungen des Werkstückes anzupassen (funktionale Anforderungen). Daneben ist die Bestimmung der geometrischen Abweichungen daher beachtenswert, um die Qualität des Werkstückes zu verbessern. An dieser Stelle müssen für das Werkstück essentielle Form- und Lagetoleranzen festgelegt werden. Das Endergebnis dieser Untersuchung ergibt, dass zuerst die notwendige Form-und Lagetoleranzen im Rahmen der geometrischen Produktspezifikationen an der Nockenwelle angewendet werden sollen. Die festgelegten wichtigsten Oberflächenparameter können durch das Tastschnittgerät gemessen werden . Aber die Messergebnisse haben gezeigt, dass die optischen Methoden nach einer Zuverlässigkeitsprüfung durch Fast Fourier-Transformation auch anwendbar sind. Um die Wellen mit einer guten Oberflächen zu versehen, werden Lager und Nocken zumindest präzisionsgeschliffen. In vielen Fällen genügt dies aber nicht, eine Endbearbeitung ist für die Topografie der Gleitfläche notwendig.

In this thesis, a camshaft, which is widely used in the automotive industry, was examined under the methods of Geometrical Product Specification and Verification. Required measurements for the calculations were performed in a precision laboratory. Additionally, a coordinate measurement machine was used to detect the accuracy and geometry of the workpiece. On the other hand surface inspections were performed with a stylus instrument, a laser-scanning microscope and a digital microscope. Tactile and non-tactile measurement methods were compared. The measurement results were analyzed and the opportunities for optimizations were introduced. This study is based on the necessary Geometric Dimensioning and Tolerancing in accordance with Geometrical Product Specification that should be used primarily on a camshaft. It was shown that in addition to the stylus instrument methods, the most important fixed surface parameters can be also measured with the optical methods respectively. However, reliability of the optical methods must be evaluated by the Fast Fourier-Transformation. The aim of this thesis is to assess and evaluate the surface characteristics and geometrical dimensioning in compliance with the GPS in order to provide a good surface of the bearing and the cam on the shaft. This can be enabled by means of precise grinding. In many cases, this application is not enough, thus a final process has to be applied for the topography of the contact surface.