DE102010022377A1

DE102010022377A1 - Verfahren zur Herstellung von gehonten Oberflächen

Info

Publication number: DE102010022377A1
Application number: DE201010022377
Authority: DE
Inventors: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Biermann Dirk; Dipl.-Wirt-Ing. Machai Christian; Dipl. Ing. Paffrath Kai-Uwe
Original assignee: Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2011-12-01
Also published as: WO2012025072A2; WO2012025072A3

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von gehonten Oberflächenstrukturen (5) in Werkstücken (4) mit beliebigen Innenkonturen auf weit verbreiteten konventionellen mindestens dreiachsigen Bearbeitungszentren. Die dazu eingesetzten Werkzeuge (1) bestehen aus Hartstoffpartikeln, die in einer nachgiebigen Matrix aus z. B. Elastomeren gebunden sind. Die Erzeugung des Honprofils erfolgt durch eine Wirkbewegung, die aus einer axial oszillierenden Werkzeugbewegung in Verbindung mit einer im Umfang langsam drehenden bzw. stillstehenden Werkzeugrotation zusammengesetzt ist. Das Werkzeug (1) wird entlang einer beliebigen Innenkontur des Werkstücks (4) geführt. Durch die Erfindung wird der Anwendungsbereich des Honens erweitert. Die Werkstücke (4) können dadurch nach einer z. B. zerspanenden Bearbeitung durch ein nachfolgendes Honen komplett in einer Aufspannung gefertigt werden, was zur Verkürzung der Werkstückdurchlaufzeiten und zur Steigerung der Genauigkeit des Verfahrens durch Vermeidung von Umspannfehlern führt. Die Investitionskosten für Honmaschinen und entsprechende Werkzeuge entfallen und auch kleine Stückzahlen hoher Gestaltvarianz können gefertigt werden. Auch können nicht rotationssymmetrische Innen- oder Außenkonturen gehont werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gehonten Oberflächen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Der Betrieb von tribologisch hochbelasteten bzw. wälzbeanspruchten Bauteilen erfordert oftmals eine gehonte Oberflächenstruktur. Durch das konventionelle Honen werden gezielte Verbesserungen der Mikro- und Makrogeometrie des Werkstücks vorgenommen, um die Form- und Maßabweichungen zu minimieren, den Traganteil der Oberfläche zu erhöhen und die metallurgische Beschaffenheit der Werkstückrandzone durch Einbringen von Druckeigenspannungen zu verbessern. Insbesondere hoch beanspruchte bzw. wälzbeanspruchte Bauteile wie zum Beispiel im Fahr- und Flugzeugbau, im Werkzeug- und Werkzeugmaschinenbau, in der Hydraulik und Pneumatik, und im Kompressorenbau, weisen gehonte Oberflächen auf.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird das Honverfahren bei metallischen Werkstücken mit rotationssymmetrischer Innenkontur angewendet, um die Oberflächenstrukturierung vorzunehmen. Das Honprofil wird auf speziellen Honmaschinen durch ein mit Honleisten belegtes Werkzeug eingebracht, wobei die Zustellung sowohl kraft- als auch weggebunden ausgeführt werden kann. Eingesetzt wird das konventionelle Honen zur Bearbeitung von runden Bohrungen.
Weiterhin ist es bekannt, das Honen auf Kombinationsmaschinen mit anderen Bearbeitungsverfahren in einer Aufspannung auszuführen. [1] und [2] beschreiben Verfahren zur Erzeugung von Oberflächenprofilen auf Kombinationsmaschinen, wie sie sonst typischerweise auf speziellen Honmaschinen erzeugt werden. Dazu wird hier das Werkstück im Maschinenkopf aufgespannt, in Rotation versetzt und an ein feststehendes Werkzeug mit Honleisten geführt. Dies ermöglicht die Bearbeitung von Bauteilen deren Innen- und Außenkontur rotationssymmetrisch ist. Bearbeitet werden diese Bauteile mit einem Werkzeug, das sich aus einem Grundkörper mit aufgeschraubten Honleisten zusammensetzt. Die Zustellung erfolgt hierbei translatorisch über eine NC-Achse, wobei diese sowohl kraft- als auch weggebunden ausgeführt werden kann. Die Hubbewegung in Kombination mit der Rotation des Werkstückes ergibt die Wirkbewegung. Es werden somit für dieses Verfahren werkstückseitig zwei translatorische Achsen und ein rotatorischer Antrieb benötigt.
Die EP 1 815 944 A1 beschreibt im Wesentlichen ein Verfahren zum konventionellen Honen mit der zusätzlichen Möglichkeit, auch gezielt geringfügig elliptische Innenkonturen bearbeiten zu können. Hierbei werden vorrangig rotationssymmetrische Bohrungen gehont, wobei geringe Abweichungen von der rotationssymmetrischen Form der Bohrungen mit dem hier beschriebenen Werkzeug und Honverfahren möglich sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und ein Werkzeug zur Herstellung von gehonten Oberflächen zur Verfügung zu stellen, bei dem nahezu beliebige Konturformen durch ein Honwerkzeug mit den Vorteilen gehonter Oberflächen versehen werden können.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von gehonten Oberflächen mit einem Honwerkzeug, das eine Bewegung relativ zu der zu honenden Oberfläche ausführt. Ein derartiges bekanntes Verfahren wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass als Honwerkzeug ein stiftartiger Schleifkörper verwendet wird, der eine auf der zu honenden Oberfläche gleitende Vorschubbewegung entlang der Konturlinie der zu honenden Oberfläche ausführt, währenddessen der stiftartige Schleifkörper in seiner Längsrichtung Hubbewegungen relativ zu der zu honenden Oberfläche ausführt. Durch die Verwendung eines stiftartigen Schleifkörpers mit einem im Verhältnis zu den Umfangsabmessungen der zu honenden Oberfläche geringem Querschnitt anstelle einer herkömmlichen Honahle, die maßlich genau auf das Maß der zu honenden Oberfläche, etwa der Innenfläche einer Bohrung oder dgl. abgestimmt ist, wird eine wesentliche Erweiterung der Möglichkeiten der Honbearbeitung geschaffen, die mit herkömmlichen Honwerkzeugen nicht erreichbar war. Der stiftartige Schleifkörper wird ähnlich wie ein Schaftfräser dazu genutzt, entlang der Umrisslinie der zu honenden Oberfläche bewegt zu werden und dabei mit seinem Umfang die zu honende Oberfläche zu bearbeiten. Bildlich gesprochen fährt der stiftartige Schleifkörper entlang der Konturlinie der zu honenden Oberfläche derart entlang, dass der stiftartige Schleifkörper immer mit Druck gegen die zu honende Oberfläche gedrückt wird und dabei die Honbearbeitung ausführt. Die Bewegung des stiftartigen Schleifkörpers besteht daher zum einen aus der Vorschubbewegung entlang der Konturlinie der zu honenden Oberfläche, die aber mit den Hubbewegungen des stiftartigen Schleifkörpers in seiner Längsrichtung relativ zu der zu honenden Oberfläche überlagert wird und damit zu einer komplexen Bewegungsbahn des stiftartigen Schleifkörpers auf der zu honenden Oberfläche führt. Der stiftartige Schleifkörper berührt dabei die zu honenden Oberfläche immer nur entlang eines geringen Flächenabschnitts, vorzugsweise entlang einer linienförmigen Berührungslinie mit der zu honenden Oberfläche, berührt aber die zu honende Oberfläche bei dem Abfahren der Konturlinie der zu honenden Oberfläche aufgrund der Vorschubbewegung gleichwohl nacheinander überall und bearbeitet damit die zu honende Oberfläche ebenfalls überall. Werden die derart erzeugten Berührungslinien zwischen stiftartigem Schleifkörper und zu honender Oberfläche mehrfach und vorzugsweise vielfach durchlaufen, kann die zu honende Oberfläche entsprechend den Qualitätsvorgaben zuverlässig gehont werden.
Von Bedeutung ist es hierbei, wenn die Hubbewegungen des stiftartigen Schleifkörpers relativ zu der zu honenden Oberfläche oszillierend ausgeführt werden. Durch die Variation von Hublänge und Hubfrequenz sowie eine Abstimmung der Hubbewegung auf die Vorschubbewegung können entsprechend der herzustellenden Oberflächencharakteristik der gehonten Oberfläche weitgehende Eigenschaften der gehonten Oberfläche erreicht werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn aufeinanderfolgend ausgeführte Bahnen der Vorschubbewegung zwischen stiftartigem Schleifkörper und zu honender Oberfläche jeweils einen Versatz, etwa in Form einer Zustellung oder eines Phasenwinkels zueinander aufweisen. Es bilden sich dadurch bei den wiederholt und vorzugsweise oft hintereinander ausgeführten Bewegungen des stiftartigen Schleifkörpers Überlagerungsmuster, die zu einem Vielfachen und einer dem Muster entsprechend definierten Oberflächenstruktur und Oberflächenrauigkeit der gehonten Oberfläche führen und damit das gewünschte Tragbild der gehonten Oberfläche gewährleisten. Damit ist zum einen eine erforderliche Genauigkeit der gehonten Oberfläche gewährleistet, gleichzeitig aber auch das erreichbare Tragbild in weiten Grenzen an die geforderten Eigenschaften aufgrund der späteren Verwendung der gehonten Oberfläche gewährleistet.
Technisch lässt sich die Vorschubbewegung des stiftartigen Schleifkörpers dadurch erzeugen, dass die gehonte Oberfläche durch eine Relativbewegung zwischen stiftartigem Schleifkörper und gehonter Oberfläche des Werkstückes, vorzugsweise eine Bewegung des stiftartigen Schleifkörpers oder des Werkstückes oder eine kombinierte Bewegung von stiftartigem Schleifkörper und Werkstück hergestellt wird. Es ist daher möglich, entweder nur den stiftartigen Schleifkörper relativ zu einem feststehenden Werkstück mit der zu honenden Oberfläche zu bewegen oder auch die kinematische Umkehr einer Bewegung ausschließlich des Werkstückes relativ zu einem fest stehenden stiftartigen Schleifkörper. Selbstverständlich ist auch eine Kombination denkbar, bei der sowohl das Werkstück mit der zu honenden Oberfläche als auch der stiftartige Schleifkörper relativ zueinander bewegt werden.
Von Vorteil ist es, wenn die Querschnittsabmessungen des stiftartigen Schleifkörpers wesentlich geringer als die Querschnittsabmessungen des Werkstückes im Bereich der zu honenden Oberfläche ausgebildet werden. Ähnlich wie etwa beim Fräsen einer Innenkontur eines Werkstückes mit Hilfe eines wesentlich kleineren zylindrischen Schaftfräsers kann der stiftartige Schleifkörper dabei innerhalb der deutlich größeren Öffnung des Werkstückes mit der zu honenden Oberfläche entlag der Konturlinie bewegt werden, die die zu honende Oberfläche etwa in Form einer Bohrung des Werkstück umgrenzt. Wie auch bei dem Schaftfräser berührt der stiftartige Schleifkörper die zu honende Oberfläche immer nur entlang einer kleinen Berührungsfläche bzw. einer Berührungslinie. In diesem Bereich wird mit dem stiftartigen Schleifkörper die Honbearbeitung ausgeführt, wobei die jeweilige Bearbeitungszone durch die Vorschubbewegung entlang der gesamten zu honenden Oberfläche wandert und so die gesamte zu honende Oberfläche nacheinander überstreicht. Aufgrund der unterschiedlichen Querschnittsabmessungen von stiftartigem Schleifkörper und Konturlinie der zu honenden Oberfläche können anders als beim konventionellen Honen nahezu beliebig konturierte Oberflächenumrisse gehont werden, wenn nur die Vorschubbewegung des stiftartigen Schleifkörpers jeweils alle Punkte der zu honenden Oberfläche nacheinander überstreichen kann. Das Formenspektrum der Gestalt der zu honenden Oberfläche kann hierdurch weit über das Maß der möglichen Oberflächen beim herkömmlichen Honen erweitert werden.
Von Vorteil ist es weiterhin, dass der stiftartige Schleifkörper bei seiner Bewegung entlang der Kontur der zu honenden Oberfläche elastisch an die zu honende Oberfläche gedrückt wird. Dieses Andrücken des stiftartigen Schleifkörpers an die zu honende Oberfläche kann dabei in weiterer Ausgestaltung kraft- und/oder weggebunden erfolgen. Durch das Andrücken des stiftartigen Schleifkörpers an die zu honende Oberfläche ist eine zur Ausführung der Honbearbeitung notwendige Andrückkraft gewährleistet, über die die im Bereich der Bearbeitungszone einzubringenden Hartstoffpartikel, entweder gebunden in dem stiftartigen Schleifkörper oder separat zugeführt, die zu honende Oberfläche glätten und in für eine Honbearbeitung typischer Weise strukturieren.
In weiterer Ausgestaltung kann der stiftartige Schleifkörper bei der Bearbeitung der zu honenden Oberfläche eine Eigenrotation, vorzugsweise eine Eigenrotation geringer Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl ausführen. Hierdurch wird zum einen dafür gesorgt, dass der stiftartige Schleifkörper gleichmäßig durch die Honbearbeitung entlang seines gesamten Umfangs abgenutzt wird und dass zum anderen immer ausreichend und immer ggf. auch immer unbenutzte oder freigelegte Hartstoffpartikel zu Honbearbeitung in die Bearbeitungszone an der zu honenden Oberfläche zur Verfügung stehen.
Von wesentlichem Vorteil hinsichtlich der Genauigkeit und der Wirtschaftlichkeit der Honbearbeitung ist es, dass die Relativbewegungen zwischen stiftartigem Schleifkörper und Werkstück auf einer konventionellen, mindestens mit drei translatorischen Achsen ausgestatteten Werkzeugmaschine, vorzugsweise einer Fräsmaschine oder einem Bearbeitungszentrum, ausgeführt werden können und keine spezielle Honmaschine genutzt werden muss. Zum einen kann dadurch, dass die Honbearbeitung und eine vorgelagerte zerspanende Bearbeitung in einer Aufspannung auf derselben Werkzeugmaschine ausgeführt werden können, ein wesentlicher Einflussfaktor, die Genauigkeit, positiv beeinflusst werden, da jedes Umspannen eine aufwändige Neuausrichtung des Werkstücks erforderlich macht und Fehlereinflüsse mit einbringt. Zum anderen ist durch die Verwendung herkömmlicher Werkzeugmaschinen, wie etwa Bearbeitungszentren oder Fräsmaschinen zum Honen eine Mehrfachnutzung dieser Maschinen möglich, die zudem durch ihre hohe Bewegungsgenauigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Ausführung der Vorschubbewegungen eine hohe Genauigkeit der Honbearbeitung erzielbar machen. Durch die Verwendung des entsprechenden Honwerkzeuges müssen diese Maschinen auch nicht aufwändig für die Durchführung der Honbearbeitung umgerüstet werden, vielmehr wird der stiftartige Schleifkörper ähnlich wie ein normaler Schaftfräser in die Spindel der Fräsmaschine oder des Bearbeitungszentrum oder dgl. Maschine eingesetzt und verwendet. Die hohe Reproduzierbarkeit und Genauigkeit lässt sich insbesondere auch dadurch gewährleisten, dass die Relativbewegungen der Werkzeugmaschine und des stiftartigen Schleifkörpers von einer numerischen Steuerung gesteuert werden.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Bewegungen bei der Durchführung der Honbearbeitung und die Gestalt und Größenverhältnisse von stiftartigem Schleifkörper und Konturlinie der zu honenden Oberfläche ergeben sich völlig neue Möglichkeiten bei der Gestaltung der zu honenden Oberflächen. Diese können rotationssymmetrische oder auch nicht-rotationssymmetrische Konturlinien aufweisen, ebenfalls können die Konturlinien vorspringende Außenecken aufweisen. Grundsätzlich gelten hierbei die gleichen Einschränkungen der möglichen Formen der Werkstücke wie etwa auch beim Bearbeiten von Werkstückformen beim Schaftfräsen mit Fräswerkzeugen.
Weiterhin ist es denkbar, dass bei der Honbearbeitung Schmierstoffe oder sonstige Zusatzstoffe in den Bereich der Kontaktstelle zwischen stiftartigem Schleifkörper und zu honender Oberfläche zugeführt werden, durch die die Honbearbeitung verbessert werden kann.
Die Erfindung beschreibt weiterhin ein Honwerkzeug, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem der stiftartige Schleifkörper mit einem vorzugsweise zylindrischen Querschnitt entlang seiner Längserstreckung einen Spannabschnitt zum Einspannen in ein Futter einer Werkzeugmaschine und einen Honabschnitt zur Bearbeitung der zu honenden Oberfläche aufweist. Hierdurch ist zum einen gewährleistet, dass der stiftartige Schleifkörper etwa wie ein Schaftfräser in einer herkömmlichen Werkzeugmaschine wie einer Fräsmaschine oder einem Bearbeitungszentrum verwendet werden kann, ohne dass die Werkzeugmaschine speziell umgerüstet werden müsste. Zum anderen können in dem Honabschnitt des stiftartigen Schleifkörpers die Eigenschaften des Honwerkzeugs bereit gestellt werden, die zur bestimmungsgemäßen Durchführung der Honbearbeitung notwendig sind.
So kann in einer Ausgestaltung der stiftartige Schleifkörper im Bereich des Honabschnitts elastisch gebundene Hartstoffpartikel aufweisen, die dadurch nachgiebig in dem Honabschnitt gehalten sind und bei der Bewegung des stiftartigen Schleifkörpers an die zu honende Oberfläche angepresst werden. Durch die nachgiebige Anordnung der Hartstoffpartikel in dem Honabschnitt lässt sich eine definierte Gestaltung der Andruckverhältnisse zwischen Hartstoffpartikeln und zu honender Oberfläche einstellen, auch ohne dass eine aufwändige etwa kraftgebundene Steuerung der Vorschubbewegung des stiftartigen Schleifkörpers vorgenommen werden müsste.
In einer anderen Ausgestaltung ist es auch denkbar, dass der stiftartige Schleifkörper im Bereich des Honabschnitts ein elastisch verformbares Material, vorzugsweise aus Gummi oder Filz oder dgl. Material aufweist. In diesem Fall sind in dem stiftartigen Schleifkörper selbst keine Hartstoffpartikel eingebettet, diese können aber extern zwischen stiftartigem Schleifkörper und zu honender Oberfläche zugeführt werden, mit denen dann die strukturierende Honbearbeitung zwischen stiftartigem Schleifkörper und Werkstück ausgeführt wird. Hierdurch ist es etwa auch denkbar, zu Beginn der Honbearbeitung mit einem großen Anteil von Hartstoffpartikeln die Oberfläche zu bearbeiten und bis zum Ende der Bearbeitung die Menge der Hartstoffpartikel zu verändern, ggf. am Ende auch ganz ohne Hartstoffpartikel zu glätten.
Von Bedeutung ist es weiterhin, dass die Länge des Honabschnitts des stiftartigen Schleifkörpers in seiner Längsrichtung größer als die Dicke des Werkstückes im Bereich der zu honenden Oberfläche ausgebildet ist. Hierdurch wird über die ganze Dicke des Werkstückes eine gleich bleibende Honbearbeitung gewährleistet, unabhängig von der Hublänge der Hubbewegung des stiftartigen Schleifkörpers. Es ist aber auch denkbar, dass der stiftartige Schleifkörper eine zusätzliche translatorische Hubbewegung ausführt, mit der ebenfalls über die ganze Dicke des Werkstückes eine gleich bleibende Honbearbeitung gewährleistet ist.
Sowohl das Material des Honabschnitts des stiftartigen Schleifkörpers und/oder die Eigenschaften der Hartstoffpartikel können dabei derart an die auszuführende Honbearbeitung als auch das Material der zu honenden Oberfläche angepasst werden, dass für alle Materialkombinationen und Honqualitäten eine hohe Bearbeitungsqualität gewährleistet ist.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Bewegungsabläufe des stiftartigen Schleifkörpers und/oder der zu honenden Oberfläche vor und/oder während der Honbearbeitung softwaregesteuert festgelegt und/oder kontrolliert werden. Eine solche softwaregesteuerte Ermittlung und ggf. ständige Kontrolle der Ausführung der Bewegungen, in einem separaten Rechner oder auch integriert in die Steuerung der Werkzeugmaschine bietet den Vorteil, dass alle Bearbeitungsparameter wie etwa die zu erzielende Struktur der zu honenden Oberfläche, Werkzeug- und Werkstückdaten einfach und nachvollziehbar eingestellt und optimiert oder auch automatisch anhand von vorgebbaren Optimierungsstrategien verändert werden können. Hierdurch ist zum einen eine für den Bediener komfortable Eingabemöglichkeit gegeben, gleichzeitig aber auch eine technologisch einwandfreie Bearbeitung der zu honenden Oberfläche erreichbar.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Software während der Honbearbeitung messtechnisch Bearbeitungseinflüsse erfasst, die bei der Steuerung der Relativbewegungen zwischen stiftartigem Schleifkörper und der zu honenden Oberfläche berücksichtigt werden. Eine solche adaptive Beeinflussung der Bewegungsabläufe des stiftartigen Schleifkörpers und/oder der zu honenden Oberfläche kann zu einer weiteren Optimierung der Honbearbeitung beitragen, etwa indem als messtechnisch erfassbare Bearbeitungsgröße der jeweils aktuelle Durchmesser des stiftartigen Schleifkörpers oder die jeweils aktuelle Leistungsaufnahme der Verstellantriebe für die Ausführung der Relativbewegungen zwischen dem stiftartigen Schleifkörper und der zu honenden Oberfläche oder auch der Körperschall an dem stiftartigen Schleifkörper und/oder der zu honenden Oberfläche herangezogen werden, um von der Sollbearbeitung abweichende Bearbeitungseinflüsse zu erfassen und nach vorgebbaren Strategien zu beeinflussen. So können z. B. bei Verwendung von Linearantrieben für die Verstellantriebe für die Ausführung der Relativbewegungen zwischen dem stiftartigen Schleifkörper und der zu honenden Oberfläche direkt die Bearbeitungskräfte des stiftartigen Schleifkörpers ermittelt und bei Abweichungen von den eingestellten Sollwerten eine entsprechende Beeinflussung der Bewegungsbahn eingeleitet werden.
Zusammengefasst lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt beschreiben.
Im Vordergrund der Erfindung steht die Herstellung von gehonten Oberflächenstrukturen in Werkstücken mit beliebigen Innen- und Außenkonturen auf weit verbreiteten konventionellen mindestens dreiachsigen Bearbeitungszentren. Die dazu eingesetzten Werkzeuge bestehen unter anderem aus Hartstoffpartikeln, die in einer nachgiebigen Matrix z. B. aus Elastomeren gebunden sind. Die Erzeugung des Honprofils erfolgt durch eine Wirkbewegung, die aus einer axial oszillierenden Werkzeugbewegung in Verbindung mit einer im Umfang langsam drehenden bzw. stillstehenden Werkzeugrotation zusammengesetzt ist. Das Werkzeug wird entlang einer beliebigen Innenkontur des Werkstücks geführt. Durch die Erfindung wird der Anwendungsbereich des Honens erweitert. Die Werkstücke können dadurch nach einer z. B. vorgelagerten zerspanenden Bearbeitung durch ein nachfolgendes Honen komplett in einer Aufspannung gefertigt werden, was zur Verkürzung der Werkstückdurchlaufzeiten und zur Steigerung der Genauigkeit des fertig bearbeiteten Bauteils durch Vermeidung von Umspannfehlern führt. Die Investitionskosten für Honmaschinen und entsprechende Werkzeuge entfallen und auch kleine Stückzahlen hoher Gestaltvarianz können gefertigt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das Werkstück fest, etwa auf dem Tisch eines Bearbeitungszentrums, eingespannt und das stiftartige Schleifwerkzeug relativ zum Werkstück bewegt. Dadurch können sowohl rotationssymmetrische als auch nicht-rotationssymmetrische Werkstücke, komplexer nicht scharfkantiger Innen- sowie Außenkontur bearbeitet werden.
Es kommen elastische Schleifwerkzeuge zum Einsatz, die sich im Rahmen ihres Verformungsvermögens der Werkstückkontur flexibel anpassen können. Damit wird die Möglichkeit geboten, auf eine aufwändige kraftgebundene Zustellung in mehreren Achsen zu verzichten. Die Bearbeitung von Werkstücken erfordert die Nutzung von drei translatorischen NC-Achsen.
Gegenüber dem konventionellen Honen werden bei der vorliegenden Erfindung mehrere Achsen benötigt, da hierbei kein Werkzeug verwendet wird, welches sich in der Bohrung aufweiten kann. Bei dem hier vorgestellten Verfahren wird die überlagerte Hubbewegung und Vorschubbewegung durch die Superposition von drei translatorischen Achsen realisiert. Eine spezielle Honmaschine ist nicht erforderlich.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen honenden Bearbeitung eines Werkstückes zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
1 – eine räumliche Draufsicht der Situation bei der Bearbeitung eines Werkstückes in Form eines Pleuels im Bereich einer Bohrung mit Hilfe des verwendeten Werkzeugs in Form eines stiftartigen Schleifkörpers,
2 – eine andere perspektivische Ansicht der Situation bei der Bearbeitung eines Werkstückes gemäß 1,
3 – eine ebene Draufsicht der Situation bei der Bearbeitung eines Werkstückes gemäß 1,
4 – schematische Darstellung einer Abwicklung der Bewegungsbahnen eines Werkzeugs bei der Bearbeitung des Werkstückes gemäß 1,
5a, 5b – denkbare Geometrien der Konturlinien zu honender Oberflächen bei der Innenbearbeitung und bei der Außenbearbeitung eines Werkstückes,
6 – schematische Darstellung der Bearbeitung des Werkstückes gemäß 1 unter Verwendung einer Software zur Steuerung der Bewegungen einer Werkzeugmaschine und Erfassung von Bearbeitungsabläufen an der Maschine.
In den 1 bis 3 ist in verschiedenen Ansichten eine typische Situation bei der Bearbeitung eines Werkstückes 4 in Form eines Pleuels im Bereich einer Bohrung als zu honender Oberfläche 5 mit Hilfe eines Werkzeugs in Form eines stiftartigen Schleifkörpers 1 dargestellt, anhand der das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens und des Werkzeugs exemplarisch verdeutlicht werden soll.
Das Werkstück 4 in Form eines Pleuels ist auf dem nicht weiter dargestellten Tisch 8 einer Werkzeugmaschine, etwa einer Fräsmaschine oder einem Bearbeitungszentrum mit Hilfe einer Spannvorrichtung 7 aufgespannt. Das Werkstück 4 wird hierzu mit Positionierhilfen 11 genau positioniert und mit in diesem Zusammenhang nicht weiter relevanten Spannmitteln auf der Spannvorrichtung 7 und diese wiederum auf dem Tisch 8 der Werkzeugmaschine festgespannt. Die Werkzeugmaschine kann hierbei typischerweise numerisch gesteuerte Bewegungen des Werkzeuges 1 in der Ebene des Tisches 8 und senkrecht dazu ausführen, wodurch eine Relativbewegung zwischen Werkstück 4 und Werkzeug in Form des stiftartigen Schleifkörpers 1 in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen erzeugt werden können.
Das Werkzeug in Form des stiftartigen Schleifkörpers 1 ist dabei in nicht weiter dargestellter Weise in eine Spindel der Werkzeugmaschine eingespannt, die sich z. B. oberhalb des Tisches 8 befindet. Hierzu weist das Werkzeug in Form des stiftartigen Schleifkörpers 1 einen ersten Abschnitt in Form eines Spannabschnittes 3 auf, der passend für übliche Spanneinrichtungen der Werkzeugmaschine ausgebildet ist, etwa in Form eines zylindrischen Schaftes oder auch eines kegeligen Schaftes. Damit wird das Werkzeug in Form des stiftartigen Schleifkörpers 1 sicher an der Werkzeugmaschine eingespannt.
Die zu honende Oberfläche 5 des Werkstückes 4 ist hier für den einfachsten Fall einer zylindrischen Bohrung in dem Pleuel dargestellt, wobei die Bohrung mit den beiden Deckflächen des Pleuels eine hier kreisförmige Konturlinie 6 bildet. Diese Konturlinie der zu bearbeitenden Oberfläche 5 hängt jeweils von der Gestalt des Werkstückes 4 und der zu bearbeitenden Oberfläche 5 ab und kann wie in 5 noch später dargestellt nahezu beliebige Formen annehmen.
Das Werkzeug in Form des stiftartigen Schleifkörpers 1 wird bei der Honbearbeitung in einer an eine Fräsbearbeitung mit einem Schaftfräser erinnernde Weise bei der Honbearbeitung entlang einer Vorschubbahn 10 bewegt, die sich aus dem Durchmesser des Honabschnitts 2 des stiftartigen Schleifkörpers 1, der Konturlinie 6 der zu honenden Oberfläche 5 und ggf. einer kleinen Verschiebung in Richtung auf die zu honende Oberfläche 5 zur Erzeugung einer hinreichenden Andruckkraft des stiftartigen Schleifkörpers 1 an die zu honende Oberfläche 5 ergibt. Diese Vorschubbahn 10 ergibt sich bei einem einmaligen Umlauf des stiftartigen Schleifkörpers 1 um die Konturlinie 6.
Gleichzeitig führt aber der stiftartige Schleifkörper 1 noch eine Hubbewegung 9 senkrecht zur Ebene des Tisches 8 aus, die in den 1 und 2 nur angedeutet ist. Die Überlagerung dieser Hubbewegung 9 und der Vorschubbewegung entlang der Vorschubbahn 10 ergibt dabei letztlich die Oberflächenstruktur der gehonten Oberfläche 5 am Ende der Bearbeitung, wie dies noch zu der 4 erläutert wird.
Wird nun der stiftartige Schleifkörper 1 häufig genug entlang der sich aus der Überlagerung der Hubbewegung 9 und der Vorschubbewegung entlang der Vorschubbahn 10 ergebenden Bahnen bewegt, so tritt der Honabschnitt 2 mehrfach mit jedem Oberflächenabschnitt der zu honenden Oberfläche 5 mehrfach in berührenden Kontakt und führt jeweils Honbearbeitungen aus. Diese Honbearbeitung wird durch Hartstoffpartikel ausgeführt, die in dem Honabschnitt 2 des stiftartigen Schleifkörpers 1 elastisch eingebunden sind oder extern zugeführt werden und sich bei der Berührung des Honabschnitts 2 an die zu honenden Oberfläche 5 andrücken. Wird der stiftartige Schleifkörper 1 zudem in eine z. B. langsame Drehbewegung um seine Achse versetzt, wie dies bei Werkzeugmaschinen durch den Spindelantrieb des eingespannten stiftartigen Schleifkörpers 1 einfach möglich ist, so werden immer neue Bereiche des Honabschnitts 2 mit der zu honenden Oberfläche 5 in Berührung kommen und diese bestimmungsgemäß honend bearbeiten.
Die Genauigkeit der Bearbeitung hängt hierbei von der Steuerung der Relativbewegung zwischen stiftartigem Schleifkörper 1 und Werkstück 4 bzw. zu honender Oberfläche 5 ab. Da diese Genauigkeit an herkömmlichen Werkzeugmaschinen durch eine numerische Steuerung und einen steifen Maschinenaufbau sehr hoch ist, ist auch die Genauigkeit der Honbearbeitung sehr hoch. Zudem können ggf. Umspannvorgänge zwischen einer anderen zerspanenden Bearbeitung und dem Honen entfallen, wodurch Fehler aufgrund des sonst notwendigen Umspannens auf eine spezielle Honmaschine eliminiert werden.
Typische Bahnen, die der stiftartige Schleifkörper 1 bei der Honbearbeitung der zu honenden Oberfläche des Werkstückes 4 gemäß 1 abfährt, lassen sich in einer schematischen Abwicklung in der 4 erkennen. Vorteilhaft werden die Vorschubbahnen 10 des stiftartigen Schleifkörpers 1 bei jedem Umlauf um die zu honende Oberfläche 5 zueinander versetzt angeordnet, wodurch sich eine dichte Abdeckung der zu honenden Oberfläche 5 mit den Vorschubbahnen 10 ergibt, ohne dass sich Bahnen 10 deckungsgleich immer wiederholen. Dadurch lässt sich die Tragstruktur der gehonten Oberfläche 5 in weiten Grenzen dadurch steuern, dass der Versatz bei der Wiederholung der Vorschubbewegungen beim Abfahren der Vorschubbahnen 10 entsprechend angepasst und auf die Hubbewegungen 9 abgestimmt wird. Vorteilhaft werden sowohl die Vorschubbewegungen 10 als auch die Hubbewegungen 9 durch die entsprechenden Antriebsachsen der Werkzeugmaschine ausgeführt, es ist aber auch denkbar, z. B. die Hubbewegungen 9 durch eine eigene z. B. schnell oszillierende Antriebsvorrichtung auszuführen, die zwischen Spindel der Werkzeugmaschine und dem stiftartigen Schleifkörper 1 in die Spindel eingespannt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nahezu beliebige Konturen zu honender Oberflächen 5 erzeugt werden, die bei den bisherigen Honverfahren mit in der Regel nur kreissymmetrischen Konturen nicht möglich waren. Nur als Beispiele seien in der 5a eine Innenkontur 6 einer zu honenden Oberfläche 5 mit Unstetigkeiten 12 und in der 5b eine Außenkontur 6 einer zu honenden Oberfläche 5 mit Unstetigkeiten 13 dargestellt, die beide entfernt an eine Sternform erinnern. Hierbei werden die jeweiligen stiftartigen Schleifkörper 1 auf zu der Konturlinie 6 im Grunde parallelen Bahnen 10 bewegt, wobei sich der Abstand der Vorschubbahn 10 aus dem Durchmesser des stiftartigen Schleifkörpers 1 und der Geometrie der Konturlinie 6 ergibt und berechnet werden kann. An den Unstetigkeiten 12, 13 sind eventuell wie auch beim Fräsen mit Schaftfräsern technologisch bedingte Zwischenbahnen des stiftartigen Schleifkörpers 1 zu generieren. Durch Veränderung des Durchmessers des Honabschnitts 2 können auch wesentlich engere Konturen 6 als in der 5 dargestellt gehont werden. Neben der Honbearbeitung geschlossener Konturen ist auch eine Honbearbeitung offener Werkstücke, wie etwa eine Außenbearbeitung von Profilen oder dgl. denkbar.
Die oszillierende Hubbewegung kann sowohl mit einer hohen Frequenz und kurzer Amplitude als auch mit einer kleinen Frequenz und einer langen Amplitude ausgeführt werden (Kurzhub bzw. Langhub).
Der Einsatz von Hilfsstoffen ist in Abhängigkeit vom tribologischen System Werkstück-Werkzeug zu erwägen, die Zu- und Abführung eines Hilfsstoffs kann über angepasste Zuführ- und Ablaufeinrichtungen erfolgen, auch ist ein Wiedereinsatz des Hilfsstoffs nach entsprechender Aufbereitung durch Filtersysteme möglich.
In der 6 ist eine Bearbeitungssituation des Werkstücks 4 aus der 1 an einer Werkzeugmaschine 14 dargestellt, deren Aktionen über eine computerbasierte Steuerung 15, hier vereinfacht als PC dargestellt beeinflusst werden. Alle Bewegungsabläufe und Bearbeitungsparameter bei der Honbearbeitung können z. B. in dieser computerbasierten Steuerung 15 über entsprechende Eingabemasken vorher festgelegt und ggf. optimiert werden. So können z. B. die geometrischen Verhältnisse bei der Überlappung der einzelnen Bahnen des stiftartigen Schleifkörpers 1, die Vorschübe etc. detailliert vorgegeben werden, wie dies grundsätzlich aus der numerischen Steuerungstechnik für Werkzeugmaschinen bekannt ist. Zusätzlich können spezifische Parameter für die hier vorliegende Honbearbeitung erfasst werden. Für die Durchführung der Bearbeitung werden diese Daten dann in Steuerprogramme für die einzelnen Antriebe 18 der Werkzeugmaschine 14 umgesetzt und anschließend abgearbeitet.
Hierbei ist es auch denkbar, dass während der Bearbeitung zusätzliche Bearbeitungsparameter erfasst werden, die eine Aussage über mögliche Abweichungen von einem Sollzustand der Bearbeitung erkennen lassen. Über einen nur schematisch dargestellten Sensor 17 könnten z. B. der jeweils aktuelle Durchmesser des stiftartigen Schleifkörpers 1 oder die jeweils aktuelle Leistungsaufnahme der Verstellantriebe 18 für die Ausführung der Relativbewegungen zwischen dem stiftartigen Schleifkörper 1 und der zu honenden Oberfläche 5 oder auch der Körperschall an dem stiftartigen Schleifkörper 1 und/oder der zu honenden Oberfläche 5 zu einer adaptiven Optimierung der Bearbeitung herangezogen werden.
Weiterhin ist es auch denkbar, die Planung der Honbearbeitung und insbesondere die technologische Planung der Honbearbeitung über einen separaten PC 16 vorzunehmen, der etwa in der Fertigungsplanung steht und nach Abschluss der Planung seine Daten an die Steuerung 15 der Werkzeugmaschine 14 übermittelt.
Literaturverzeichnis

[1] – „Honen auf Kombinationsmaschinen”, Dirk Biermann, Klaus Weinert, Kai-Uwe Paffrath, ZWF Jahrgang 102 (2007) 9
[2] – „Oberflächenfeinbearbeitung – Verfahren und Analysemethoden”, Dirk Biermann, Kai Uwe Paffrath, diamond business, 11, 4/2008

Bezugszeichenliste

1: stiftartiges Schleifwerkzeug
2: Honabschnitt
3: Spannabschnitt
4: Werkstück
5: zu honende Oberfläche
6: Konturlinie zu honende Oberfläche
7: Spannvorrichtung
8: Arbeitstisch Werkzeugmaschine
9: Hubbewegung
10: Vorschubbewegung
11: Positionierhilfen
12: Unstetigkeit Konturlinie
13: Unstetigkeit Konturlinie
14: Werkzeugmaschine
15: Steuerung
16: externer Planungsrechner
17: Sensor
18: Antriebe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1815944 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung von gehonten Oberflächen (5) mit einem Honwerkzeug (1), das eine Bewegung relativ zu der zu honenden Oberfläche (5) ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass als Honwerkzeug ein stiftartiger Schleifkörper (1) verwendet wird, der eine auf der zu honenden Oberfläche (5) gleitende Vorschubbewegung (10) entlang der Konturlinie (6) der zu honenden Oberfläche (5) ausführt, währenddessen der stiftartige Schleifkörper (1) in seiner Längsrichtung (9) Hubbewegungen relativ zu der zu honenden Oberfläche (5) ausführt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubbewegungen (9) des stiftartigen Schleifkörpers (1) relativ zu der zu honenden Oberfläche (5) oszillierend ausgeführt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgend ausgeführte Bahnen (10) der Vorschubbewegung zwischen stiftartigem Schleifkörper (1) und zu honender Oberfläche (5) jeweils einen Versatz zueinander aufweisen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung der Bahnen (10) der Vorschubbewegung zwischen stiftartigem Schleifkörper (1) und der zu honenden Oberfläche (5) eine definierte Oberflächenstruktur und Oberflächenrauhigkeit der gehonten Oberfläche (5) herstellen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gehonte Oberfläche (5) durch eine Relativbewegung zwischen stiftartigem Schleifkörper (1) und gehonter Oberfläche (5) des Werkstückes (4), vorzugsweise eine Bewegung des stiftartigen Schleifkörpers (1) oder des Werkstückes (4) oder eine kombinierte Bewegung von stiftartigem Schleifkörper (1) und Werkstück (4) hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsabmessungen des stiftartigen Schleifkörpers (1) wesentlich geringer als die Querschnittsabmessungen des Werkstückes (4) im Bereich der zu honenden Oberfläche (5) ausgebildet werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der stiftartige Schleifkörper (1) bei seiner Bewegung entlang der Kontur (6) der zu honenden Oberfläche (5) elastisch an die zu honende Oberfläche (5) gedrückt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Andrücken des stiftartigen Schleifkörpers (1) an die zu honende Oberfläche (5) kraft- und/oder weggebunden erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der stiftartige Schleifkörper (1) eine Eigenrotation, vorzugsweise eine Eigenrotation geringer Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl ausführt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegungen zwischen stiftartigem Schleifkörper (1) und Werkstück (4) auf einer konventionellen, mindestens mit drei translatorischen Achsen ausgestatteten Werkzeugmaschine, vorzugsweise einer Fräsmaschine oder einem Bearbeitungszentrum, ausgeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegungen der Werkzeugmaschine und des stiftartigen Schleifkörpers (1) von einer numerischen Steuerung gesteuert werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Honbearbeitung und eine vorgelagerte zerspanende Bearbeitung in einer Aufspannung auf derselben Werkzeugmaschine ausgeführt werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu honenden Oberflächen (5) rotationssymmetrische oder nicht-rotationssymmetrische Konturlinien (6) aufweisen können.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturlinien (6) der zu honenden Oberflächen (5) vorspringende Außenecken (12, 13) aufweisen können.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Honbearbeitung Schmierstoffe oder sonstige Zusatzstoffe in den Bereich der Kontaktstelle zwischen stiftartigem Schleifkörper (1) und zu honender Oberfläche (5) zugeführt werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen stiftartigem Schleifkörper (1) und zu honender Oberfläche (5) Hartstoffpartikel zugeführt werden, mit denen zwischen stiftartigem Schleifkörper (1) und Werkstück (4) die strukturierende Honbearbeitung ausgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsabläufe des stiftartigen Schleifkörpers (1) und/oder der zu honenden Oberfläche (5) vor und/oder während der Honbearbeitung softwaregesteuert (15, 16) festgelegt und/oder kontrolliert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Software (15, 16) während der Honbearbeitung messtechnisch Bearbeitungseinflüsse erfasst, die bei der Steuerung der Relativbewegungen zwischen stiftartigem Schleifkörper (1) und der zu honenden Oberfläche (5) berücksichtigt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als messtechnisch erfassbare Bearbeitungsgröße der jeweils aktuelle Durchmesser des stiftartigen Schleifkörpers (1) ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als messtechnisch erfassbare Bearbeitungsgröße die jeweils aktuelle Leistungsaufnahme der Verstellantriebe (18) für die Ausführung der Relativbewegungen zwischen dem stiftartigen Schleifkörper (1) und der zu honenden Oberfläche (5) ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Linearantrieben für die Verstellantriebe (18) für die Ausführung der Relativbewegungen zwischen dem stiftartigen Schleifkörper (1) und der zu honenden Oberfläche (5) Bearbeitungskräfte des stiftartigen Schleifkörpers (1) ermittelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als messtechnisch erfassbare Bearbeitungsgröße der Körperschall an dem stiftartigen Schleifkörper (1) und/oder der zu honenden Oberfläche (5) ermittelt wird.
Verwendung eines Werkzeuges (1) zur Herstellung von gehonten Oberflächen (5), das eine Bewegung relativ zu der zu honenden Oberfläche (5) ausführt, insbesondere Verwendung des Werkzeuges (1) bei der Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stiftartige Schleifkörper (1) entlang seiner Längserstreckung einen Spannabschnitt (3) zum Einspannen in ein Futter einer Werkzeugmaschine und einen Honabschnitt (2) zur Bearbeitung der zu honenden Oberfläche (5) aufweist.