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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Bearbeitung von Zylinderbohrungen.
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Es ist bekannt, die Lauffläche von Zylinderbohrungen von Motorblöcken mit einer Beschichtung zu versehen, die durch thermisches Spritzen aufgebracht ist, beispielsweise durch Lichtbogendrahtspritzen. Diese Beschichtung muss nachbearbeitet werden, um den gewünschten Oberflächenzustand zu erreichen. Aufgrund der Härte der Beschichtung und der gewünschten Präzision der Laufflächen der Zylinderbohrung sind hohe Anforderungen an die Nachbearbeitung zu stellen. Die Anforderungen steigen noch weiter, wenn die Beschichtung nicht über die gesamte Lauffläche vorhanden ist oder vorhanden sein soll, sodass unterschiedliche Oberflächen innerhalb der Zylinderbohrung bearbeitet werden müssen (beispielsweise Bereiche, die aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, und Bereiche, die mit einer durch Lichtbogendrahtspritzen aufgebrachten Beschichtung versehen sind).
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Bearbeitung solcher Zylinderbohrungen zu vereinfachen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Kombinationswerkzeug zur Bearbeitung von Zylinderbohrungen vorgesehen, mit einem Werkzeugkörper, der einen Schaft und einen Kopf aufweist, wobei am Umfang des Kopfes mehrere Schneideinsätze angeordnet sind und am vorderen Ende des Kopfes ein Schleifaufsatz angeordnet ist, oder spiegelbildlich. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, zwei unterschiedliche Bearbeitungsvorgänge mit ein und demselben Werkzeug vorzunehmen, nämlich zum einen einen Materialabtrag mit geometrisch unbestimmten Schneiden (also mittels des Schleifaufsatzes) und zum anderen ein Materialabtrag mit geometrisch bestimmten Schneiden (also mittels der Schneideinsätze). Der Schleifaufsatz dient dazu, eine auf eine Zylinderbohrung aufgebrachte Beschichtung zu bearbeiten, während die Schneideinsätze dazu dienen, das Material des Motorblocks zu bearbeiten. Ermöglicht wurde die Erfindung durch die Erkenntnis, dass es entgegen der üblichen Meinung doch möglich ist, gleichzeitig zu schleifen und zu fräsen, obwohl man eigentlich davon ausgeht, dass aufgrund der meist sehr unterschiedlichen Werkzeuggeschwindigkeiten beim Schleifen einerseits und beim Fräsen andererseits nicht mit einer einheitlichen Werkzeuggeschwindigkeit gearbeitet werden kann.
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Die Anordnung des Schleifaufsatzes am vorderen Ende des Kopfes und der Schneideinsätze "dahinter" ist die bevorzugte Gestaltung für eine Werkzeug, dass von der Kurbelwellenseite eingeführt wird. Wird das Werkzeug dagegen von der Brennraumseite aus eingeführt, müssen die Schneideinsätze am vorderen Ende des Kopfes angeordnet werden.
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Das erfindungsgemäße Kombinationswerkzeug kann insbesondere dazu verwendet werden, einen sogenannten Honfreigang am Ende einer beschichteten Laufbuchse eines Motorblocks zu schleifen. Zu diesem Zweck wird das Kombinationswerkzeug von der Kurbelwellenseite aus in die Laufbuchse eingeführt, um den an den Kurbelwellenraum angrenzenden Bereich der Laufbuchse, der im wesentlichen frei von einer Beschichtung ist, spanend zu bearbeiten und einen weiter innen liegenden Bereiche, der mit einer Beschichtung versehen ist, mittels des Schleifaufsatzes zu bearbeiten. Der Schleifaufsatz zusammen mit den Schneideinsätzen erzeugen dabei den Honfreigang, also einen Auslauf für ein Honwerkzeug, das in einem späteren Bearbeitungsschritt von der Zylinderkopfseite aus in die Laufbuchse eingeführt wird. Der Scheitelpunkt zwischen einer zum Kurbelwellenraum gerichteten Vorwärtsbewegung des Honwerkzeugs und einer zur Seite des Zylinderkopfes gerichteten Rückbewegung liegt im Honfreigang.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Schleifaufsatz topfförmig ist. Dies ermöglicht, den Schleifaufsatz auf den Kopf des Werkzeugkörpers aufzusetzen, sodass er dort zuverlässig befestigt werden kann.
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Vorzugsweise sind mehrere Einstellelement, Einstellschrauben oder Stellkeile vorgesehen, mit denen der Rundlauf des Schleifaufsatzes relativ zum Werkzeugkörper eingestellt werden kann. Dadurch ist der Rundlauf des Schleifaufsatzes relativ zu den Schneideinsätzen gewährleistet.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Schleifaufsatz in axialer Richtung mit mindestens einem Schneideinsatz überlappt. Dies ermöglicht eine Bearbeitung insbesondere im Bereich des Übergangs von unbeschichteten zu beschichteten Bereichen der Zylinderbohrung.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist am Übergang zwischen der Umfangsfläche des Schleifaufsatzes und der Stirnseite eine Konusfläche vorgesehen. Die Konusfläche erzeugt eine geforderte Schräge am Bauteil, nämlich den Übergang vom Honfreigang zur Zylinderbohrung.
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Vorzugsweise ist der Werkzeugkörper mit einem Kühlmittelkanal versehen. Der Kühlmittelkanal ermöglicht es, Kühlmittel während der Bearbeitung an die jeweils gewünschten Stellen zuzuführen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlmittelkanal eine Austrittsöffnung auf, die im Bereich des Schleifaufsatzes liegt. Dadurch kann das Kühlmittel zu den Bereichen zugeführt werden, die mittels des Schleifaufsatzes bearbeitet werden.
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Vorzugsweise liegt die Austrittsöffnung im Bereich der Umfangsfläche des Schleifaufsatzes. Dies gewährleistet, dass das Kühlmittel genau dort zugeführt wird, wo es benötigt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Austrittsöffnung so orientiert, dass die Richtung des Kühlmittelstrahls eine zur Stirnseite des Werkzeugs gerichtete Komponente hat. Hierdurch werden Partikel, die vom Schleifaufsatz abgetragen wurden, zum Freiraum vor dem Kopf des Werkzeugs hin gespült.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schneideinsätze in axialer Richtung betrachtet auf derselben Höhe liegen. Hierdurch ist gewährleistet, dass sich die auf die Schneideinsätze wirkenden Reaktionskräfte gegenseitig aufheben.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens einer der Schneideinsätze eine radial außen liegende Schneidkante aufweist, die relativ zu einer Ebene, die die Rotationsachse des Werkzeugkörpers enthält und die Schneidkante schneidet, um einen von 0 verschiedenen Winkel so geneigt ist, dass das dem Schneidaufsatz zugewandte Ende der Schneidkante in Drehrichtung des Werkzeugs vor dem Ende der Schneidkante liegt, das vom Schleifaufsatz abgewandt ist. Anders ausgedrückt sind die Schneideinsätze leicht schräg angestellt, sodass die erzeugten Späne auf der Spanfläche der Schneideinsätze vom Schleifaufsatz weggedrückt werden, also hin zum Schaft. Dies verringert die Gefahr, dass Späne in den Bereich gelangen, in dem der Schleifaufsatz die Lauffläche bearbeitet.
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Der Winkel, um den der Schneideinsatz axial angestellt ist, kann in der Größenordnung von 5° liegen. Dies hat sich als ein in der Praxis vorteilhafter Wert herausgestellt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlmittelkanal eine Austrittsöffnung auf, die einem Schneideinsatz zugeordnet ist. Dadurch wird Kühlmittel präzise dem Bereich zugeführt, in dem der Schneideinsatz am zu bearbeitenden Material angreift.
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Die Austrittsöffnung ist vorzugsweise so orientiert, dass die Richtung des Kühlmittelstrahls eine vom Kopf weggerichtete Komponente hat. Hierdurch wird unterstützt, dass die Späne vom Schleifaufsatz wegbewegt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein aus der Austrittsöffnung austretender Kühlmittelstrahl auf die Spanfläche des Schneideinsatzes auftrifft. Auch hierdurch wird unterstützt, dass die Späne vom Kopf des Kombinationswerkzeugs wegtransportiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind vier Schneideinsätze, vier Einstellschrauben und vier Austrittsöffnungen im Schleifaufsatz und vier den Schneideinsätzen zugeordnete Austrittsöffnungen vorgesehen. Hierdurch ergibt sich eine hohe Bearbeitungsleistung bei gleichzeitig sehr hoher Präzision. Es wird darauf hingewiesen, dass bei einem großen Durchmessers des Werkzeugs auch eine höhere Anzahl von Schneideinsätzen, Einstellschrauben und Austrittsöffnungen verwendet werden kann.
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Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Motorblocks vorgesehen, bei dem eine zumindest abschnittsweise beschichtete Zylinderbohrung von der Seite des Kurbelwellenraum mittels eines Kombinationswerkzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche bearbeitet wird, um einen Honfreigang zu schaffen, und anschließend die Zylinderbohrung mittels eines Honwerkzeugs von der Seite des Zylinderkopfes bearbeitet wird. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Effizienz aus, da mehrere Bearbeitungsschritte zusammengefasst sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugs;
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2 eine perspektivische Ansicht des beim Werkzeug von 1 verwendeten Schleifaufsatzes;
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3 eine perspektivische Ansicht des vorderen Abschnittes des Werkzeugs von 1;
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4 eine Seitenansicht des Werkzeugs von 1;
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5 einen Schnitt entlang der Linie V-V von 4;
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6 einen weiteren Schnitt durch den vorderen Abschnitt des Kombinationswerkzeugs; und
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7 eine Draufsicht auf den vorderen Abschnitt des Kombinationswerkzeugs.
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In den Figuren ist ein Kombinationswerkzeug 5 gezeigt, das einen Werkzeugkörper 7 enthält. Der Werkzeugkörper 7 besteht vorzugsweise aus Stahl und weist einen Schaft 8 und einen Kopf 9 auf.
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Der Schaft 8 ist dafür vorgesehen, das Kombinationswerkzeug 5 in eine Werkzeugmaschine einzuspannen, sodass mit dem Kombinationswerkzeug ein Bauteil bearbeitet werden kann, insbesondere eine Zylinderbohrung eines Motorblocks. Zu diesem Zweck kann das Kombinationswerkzeug 5 in Drehung versetzt werden. Der Kopf 9 dient dazu, die gewünschte Bearbeitung vorzunehmen, insbesondere Material abzutragen.
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Das Kombinationswerkzeug 5 zeichnet sich dadurch aus, dass mit ein und demselben Werkzeug zwei unterschiedliche Bearbeitungsarten möglich sind, nämlich sowohl eine spanende Bearbeitung als auch ein Schleifen.
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Für die spanende Bearbeitung sind am Kopf 9 des Werkzeugkörpers 7 mehrere Schneideinsätze 10 angeordnet. Bei den Schneideinsätzen 5 handelt es sich um sogenannte Wendeschneidplatten, die in mehreren Ausrichtungen am Kopf 9 angebracht werden können.
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Konkret hat jeder Schneideinsatz 10 in einer Draufsicht eine etwa rechteckige Form mit abgerundeten Ecken, wobei am Übergang zwischen einer Oberfläche, die als Spanfläche bezeichnet wird, und der Umfangswand (auch als Freifläche bezeichnet) eine Schneidkante 12 gebildet ist.
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Jeder Schneideinsatz 10 ist in einer Aufnahme 14 angeordnet, die als Tasche in der Umfangsfläche des Kopfes 9 ausgeführt ist. Jede Aufnahme 14 weist in an sich grundsätzlich bekannter Weise drei Anlageflächen für den Schneideinsatz 10 auf, sodass dieser zuverlässig in der Aufnahme 14 positioniert werden kann. Zur Befestigung ist eine Spannschraube 16 vorgesehen, die in einer Öffnung angeordnet ist, welche die Spanfläche des Schneideinsatzes 10 schneidet.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Aufnahmen 14 unmittelbar im Werkzeugkörper 7 angeordnet. Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, einstellbare Aufnahmen vorzusehen.
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Wie insbesondere in den 1 und 5 zu sehen ist, sind die Schneideinsätze 10 so am Kopf 9 des Kombinationswerkzeugs 5 angeordnet, dass ihre radial außen liegende Schneidkante 12 nicht parallel zur Rotationsachse R des Werkzeugkörpers 7 ausgerichtet ist, sondern leicht schräg dazu angestellt. Genauer gesagt ist die außen liegende Schneidkante 12 relativ zu einer Ebene, die die Rotationsachse R des Werkzeugkörpers 7 enthält und die Schneidkante 12 schneidet, um einen Winkel α geneigt, der von 0 verschieden ist und vorzugsweise in der Größenordnung von 5° beträgt. Dabei ist die Neigungsrichtung so gewählt, dass, in der Drehrichtung des Werkzeugs betrachtet, das „vorne liegende“ oder vorlaufende Ende der Schneidkante auf der Seite des Kopfes 9 liegt, während das „hinten liegende“ oder nachlaufende Ende auf der Seite des Schafts 8 angeordnet ist.
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Es werden insgesamt vier Schneideinsätze verwendet, die gleichmäßig voneinander beabstandet um den Kopf 9 herum angeordnet sind, also im Winkel von 90° zueinander. Je nach Durchmesser des Werkzeugs kann auch eine größere Anzahl verwendet werden. Eine Ungleichteilung kann insbesondere in Bezug auf Schwingungen Vorteile ergeben und ist je nach Einsatzfall zu bevorzugen.
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Am vorderen, also vom Schaft 8 abgewandten Ende des Kopfes 9 des Werkzeugkörpers 7 ist ein Schleifaufsatz 20 angeordnet, mit dem eine schleifende Bearbeitung von Teilen der Lauffläche der Zylinderbohrung des Motorblocks möglich ist.
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Der Schleifaufsatz 20 ist allgemein topfförmig (siehe insbesondere 5) mit einer Wand 22, die als Topfboden angesehen werden kann und eine Stirnseite des Kombinationswerkzeugs 5 bildet. Weiterhin ist eine Umfangswand 24 vorgesehen, die sich an die Stirnwand 22 auf der dem Schaft 8 zugewandten Seite anschließt.
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Der Übergang zwischen der Stirnwand 22 und der Umfangswand 24 ist als Konusfläche 25 ausgeführt. Der Konuswinkel bezogen auf die Rotationsachse R des Kombinationswerkzeugs 5 liegt dabei in der Größenordnung von 30°.
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Wie insbesondere in 2 zu sehen ist, ist die Umfangswand 24 durch mehrere Aussparungen 26 unterbrochen. Die Aussparungen 26 sind jeweils in dem Bereich angeordnet, in dem ein Schneideinsatz 10 vorgesehen ist (vgl. 3). Ferner greifen geeignet geformte Materialabschnitte des Kopfes 9 in die Aussparungen 26 ein, sodass eine Drehmomentübertragung in Umfangsrichtung möglich ist.
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Falls gewünscht, können zusätzlich oder alternativ auch Stifte verwendet werden, um eine Drehmomentübertragung zu erzielen.
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Zur Befestigung des Schleifaufsatzes 20 am Werkzeugkörper 7 sind mehrere Befestigungsschrauben 30 vorgesehen, die in Öffnungen angeordnet sind, die sich durch die Stirnwand 22 erstrecken. Die Befestigungsschrauben 30 sind in Gewindebohrungen im Kopf 9 des Werkzeugkörpers 7 eingeschraubt.
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Der Schleifaufsatz 20 ist mit mehreren Einstellschrauben 40 versehen, die von der Außenseite des Schleifaufsatzes 20 aus verstellt werden können und auf der Innenseite des Schleifaufsatzes 20 am Kopf 9 des Werkzeugkörpers 7 angreifen. Mittels der Einstellschrauben 40 kann der Schleifaufsatz 20 relativ zum Werkzeugkörper 7 präzise positioniert werden, sodass der Rundlauf in der gewünschten Weise eingestellt werden kann.
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Wie insbesondere in 5 zu sehen ist, erstrecken sich die Einstellschrauben 40, im Schnitt betrachtet, senkrecht zur Konusfläche 25. Anders ausgedrückt schließt die Mittelachse der Einstellschrauben 40 mit der Rotationsachse R einen Winkel von 60° ein.
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Die Einstellschrauben 40 greifen am Kopf 9 des Werkzeugkörpers 7 an einer Kante 42 an, die den Übergang zwischen einer stirnseitigen Anlagefläche 44 für die Stirnwand 22 und einer umfangsseitigen Anlagefläche 46 für die Umfangswand 24 des Schleifaufsatzes 20 darstellt.
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Das Kombinationswerkzeug 5 ist mit einer Kühlmittelversorgung versehen, die es ermöglicht, Kühlmittel an geeigneten Stellen ausströmen zu lassen. Zu diesem Zweck ist ein Kühlmittelkanal 50 vorgesehen, der sich ausgehend von einer Anschlussöffnung 52 am vom Kopf 9 abgewandten Ende des Schafts 8 durch den Werkzeugkörper 7 hindurch bis in den Kopf 9 hinein erstreckt. Dort verzweigt der Kühlmittelkanal 50 in mehrere kleinere Kühlmittelverteilkanäle 54, die hin zu verschiedenen Austrittsöffnungen führen.
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Ein erster Satz von Austrittsöffnungen 56 ist im Schleifaufsatz 20 angeordnet (siehe insbesondere die 3 und 5), und zwar in der Umfangswand 24 kurz vor dem Übergang zur Konusfläche 25. Es werden hier vier Austrittsöffnungen 56 verwendet, die gleichmäßig voneinander beabstandet um den Umfang des Schleifaufsatzes 20 herum angeordnet sind.
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Wie insbesondere in 5 zu sehen, sind die Kühlmittelleitungen 58, die innerhalb des Schleifaufsatzes 20 angeordnet sind und die Kühlmittelverteilkanäle 54 verlängern, die im Werkzeugkörper 7 vorgesehen sind, relativ zur Rotationsachse R schräg angeordnet. Somit sind die Austrittsöffnungen 56 ebenfalls schräg ausgerichtet, und zwar so, dass ein aus den Austrittsöffnungen 56 austretender Kühlmittelstrahl schräg nach vorne orientiert ist, also weg vom Schaft 8. Die Austrittsrichtung schließt dabei mit der Rotationsachse R einen Winkel von etwa 60° ein.
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Ein zweiter Satz von Austrittsöffnungen 60 ist den Schneideinsätzen 10 zugeordnet (siehe insbesondere die 1 und 6). Der zu den Austrittsöffnungen 60 führende Abschnitt der Kühlmittelverteilkanäle 54 und damit auch die Austrittsöffnungen 60 sind schräg relativ zur Rotationsachse R des Kombinationswerkzeugs 5 ausgerichtet, sodass ein aus den Austrittsöffnungen 60 austretender Kühlmittelstrahl schräg nach außen und hinten, also hin zum Schaft 8, ausgerichtet ist. Der Winkel zwischen der Austrittsrichtung und der Rotationsachse R beträgt ebenfalls in der Größenordnung von 60°. Weiterhin sind die Austrittsöffnungen 60 so ausgerichtet, dass der Kühlmittelstrahl auf die Spanfläche der Schneideinsätze 10 auftrifft.
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Mit dem Kombinationswerkzeug 5 kann ein Werkstück, insbesondere ein Motorblock, gleichzeitig mittels eines Schleifvorgangs (mittels des Schleifaufsatzes 20) und spanend/fräsend (mittels der Schneideinsätze 10) bearbeitet werden. Das zugeführte Kühlmittel sorgt aufgrund der schräg und entgegengesetzt zueinander ausgerichteten Kühlmittelstrahlen dafür, dass die durch Schleifen entfernten Materialteile zur Vorderseite des Werkzeugs hin weggespült werden, während die mittels der Schneideinsätze 10 abgetragenen Späne zum Schaft hin gespült werden. Dies wird durch die axiale Anstellung der Schneideinsätze um den Winkel α unterstützt.
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Da der Schleifaufsatz 20 an demselben Werkzeugkörper angebracht ist wie die Schneideinsätze 10, ergeben sich keinerlei Toleranzen, wie sie auftreten würden, wenn der Motorblock nacheinander mit zwei separaten Werkzeugen bearbeitet würde.
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Mit einen Fasenauslauf im Bereich des auslaufenden Schleifaufsatzes im Übergangsbereich werden Schnittkreisdurchmesserdifferenzen in radialer Richtung kompensiert. Stellt man vor dem Aufmontieren des Schleifausatzes den ergebenden Schnittkreisdurchmesser fest, kann man beim Fertigen des Schleifaufsatzes u.U. einen geringfügig größeren Schleifdurchmesser auslegen, um den Übergangsbereich zwischen Schleifaufsatz und Schneideinsätzen zu glätten.
