DE102014225164A1

DE102014225164A1 - Feinbearbeitungsverfahren zum Herstellen einer rotationssymmetrischen Bohrung mit axialem Konturverlauf

Info

Publication number: DE102014225164A1
Application number: DE102014225164.8A
Authority: DE
Inventors: Josef Schmid
Original assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Current assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2034-12-09
Also published as: DE102014225164B4

Abstract

Bei einem Feinbearbeitungsverfahren zum Herstellen einer rotationssymmetrischen Bohrung mit einem axialen Konturverlauf wird bei einer Feinbearbeitungsoperation ein aufweitbares Honwerkzeug (200) verwendet, welches mindestens eine aufweitbare ringförmige Schneidgruppe (220) mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern aufweist, deren axiale Länge kleiner als der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern ist. In einer Konturerzeugungsphase wird zwischen einer ersten Axialposition (AX1) mit relativ kleinerem Soll-Durchmesser und einer zweiten Axialposition (AX2) mit einem relativ zum ersten Soll-Durchmesser größeren zweiten Soll-Durchmesser durch Erzeugen eines in Axialrichtung der Bohrung ungleichen Materialabtrags an der Innenfläche der Bohrung mittels der Schneidstoffkörper des Honwerkzeugs ein nicht-kreiszylindrischer Bohrungsabschnitt mit einem vorgebbaren axialen Konturverlauf erzeugt. Das Honwerkzeug wird hierzu wird, starres oder halb-starr an eine Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine angekoppelt. Es erfolgt eins schnelles Drehen des Honwerkzeugs in Kombination mit einem langsamen axialen Bewegen des Honwerkzeugs. Dabei erfolgt ein weggesteuertes radiales Zustellen der Schneidstoffkörper mit einer von der Axialposition abhängigen Zustellposition während der axialen Bewegung des Honwerkzeugs in dem Bohrungsabschnitt in der Weise, dass die Zustellposition bei der axialen Bewegung entsprechend dem vorgegebenen axialen Konturverlauf verändert wird.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Feinbearbeitungsverfahren zum Herstellen einer rotationssymmetrischen Bohrung mit einem axialen Konturverlauf gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder 2. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Erzeugen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen.
Die Zylinderlaufflächen in Zylinderblöcken (Zylinderkurbelgehäusen) oder Zylinderlaufbuchsen von Brennkraftmaschinen oder anderen Hubkolbenmaschinen sind im Betrieb einer starken tribologischen Beanspruchung ausgesetzt. Daher kommt es bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen darauf an, diese Zylinderlaufflächen so zu bearbeiten, dass später bei allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierung durch einen Schmiermittelfilm gewährleistet ist und der Reibwiderstand zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen möglichst gering gehalten wird.
Die qualitätsbestimmende Endbearbeitung solcher tribologisch beanspruchbaren Innenflächen erfolgt in der Regel mit geeigneten Honverfahren, die typischer Weise mehrere aufeinanderfolgende Honoperationen umfassen. Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Bei einer Honoperation wird ein aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der zu bearbeitenden Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung mit einer Hubfrequenz hin- und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung mit einer vorgebbaren Drehzahl gedreht. Zur Aufweitung des Honwerkzeugs werden die am Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper über ein Zustellsystem mit einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft und/oder Zustellgeschwindigkeit zugestellt und an die zu bearbeitende Innenfläche angedrückt. Eine Wegsteuerung ist ebenfalls bei manchen Verfahren vorgesehen. Beispielsweise gibt es Verfahren zum Vorhonen oder Zwischenhonen bzw. Basishonen von Zylinderbohrungen, bei denen die Zustellposition pro Hub um einen vorab programmierten Betrag verändert wird. Beim Honen entsteht in der Regel an der Innenfläche ein für die Honbearbeitung typisches Kreuzschliffmuster mit sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren, die auch als „Honriefen“ bezeichnet werden.
Mit steigenden Anforderungen an die Sparsamkeit und Umweltfreundlichkeit von Motoren ist die Optimierung des tribologischen Systems Kolben/Kolbenringe/Zylinderlauffläche von besonderer Bedeutung, um geringe Reibung, geringen Verschleiß und geringen Ölverbrauch zu erreichen. Der Reibungsanteil der Kolbengruppe kann bis zu 35% betragen, so dass der Reibungsreduzierung in diesem Bereich wünschenswert ist.
Eine Technologie, die für die Reduzierung der Reibung und des Verschleißes immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die Vermeidung bzw. Reduzierung von Zylinderverzügen bzw. Deformationen des Motorblocks (Zylinderkurbelgehäuses) bei der Montage und/oder im Betrieb. Nach einer konventionellen Honbearbeitung soll eine Zylinderbohrung typischerweise eine Bohrungsform haben, die möglichst wenig, z.B. maximal wenige Mikrometer, von einer idealen Kreiszylinderform abweicht. Während der Montage oder des Betriebs des Motors kann es jedoch zu deutlichen Formfehlern (Verzügen) kommen, die bis zu mehreren Hundertsteln Millimeter betragen und die Performance des Motors verringern können. Die Ursachen von Verzügen bzw. Deformationen sind unterschiedlich. Es kann sich um statische oder quasi statische thermische und/oder mechanische Belastungen handeln und/oder um dynamische Belastungen. Auch die Konstruktion und das Design von Zylinderblöcken haben Einfluss auf die Neigung zu Deformationen. Die Dichtfunktion des Kolbenringpakets und die Kolbenreibung werden durch solche schwer kontrollierbaren Deformationen typischerweise verschlechtert, wodurch sich der Blow-by, der Ölverbrauch und auch die Reibung erhöhen können.
Das sogenannte Formhonen ist eine Technologie, welche durch eine Invertierung der Zylinderverzüge (Erzeugung einer Negativform des Fehlers) bei der Bearbeitung die Entstehung einer Idealform nach der Montage oder im Betriebszustand des Motors gewährleisten oder annähern soll. Dabei wird am unverspannten Werkstück mittels Honen eine von der Kreiszylinderform definiert abweichende Bohrungsform erzeugt. Solche Bohrungsformen sind in der Regel in Axialrichtung und/oder in Umfangsrichtung unsymmetrisch, weil auch die Deformationen der Zylinderblocks in der Regel nicht symmetrisch sind. Im Betriebszustand soll sich eine möglichst ideale Kreiszylinderform ergeben, so dass das Kolbenringpaket über den gesamten Bohrungsumfang gut abdichten kann.
Verschiedene Varianten des Formhonens, die es erlauben, nicht-rotationssymmetrische Bohrungsformen mit einer systematischen Abweichung von einer 2-zähligen Rotationssymmetrie zu erzeugen, werden in der EP 1 790 435 B1 beschrieben.
In der WO 2014/146919 A1 wird ein Honverfahren zum Formhonen beschrieben, bei dem eine in Bezug auf die Bohrungsachse rotationssymmetrische, flaschenförmige Bohrung erzeugt wird, die in der Nähe des Bohrungseintritts enger ist als weiter entfernt vom Bohrungseintritt. Bei einer Verfahrensvariante wird ein Honwerkzeug mit axial relativ langen Honleisten verwendet. Zur Erzeugung eines axial variierenden Materialabtrags werden die Hublänge und/oder die Hublage der Hubbewegung verändert. Hierdurch kann ein axialer Konturverlauf erzeugt oder verändert werden. In der Anmeldung werden auch Honwerkzeuge beschrieben, die mindestens eine ringförmige Schneidgruppe mit Schneidstoffkörpern aufweisen, die als in Umfangsrichtung breite und in Axialrichtung schmale Honsegmente gestaltet sind.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Feinbearbeitungsverfahren der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, das es auf wirtschaftliche Weise erlaubt, rotationssymmetrische Bohrungen zu erzeugen, die im fertig bearbeiten Zustand einen vorgebbaren axialen Konturverlauf haben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Feinbearbeitungsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder Anspruch 2. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Im Rahmen des Feinbearbeitungsverfahrens wird bei einer Feinbearbeitungsoperation ein aufweitbares Honwerkzeug verwendet, welches mindestens eine aufweitbare ringförmige Schneidgruppe mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern aufweist, deren axiale Länge kleiner als der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern ist. Die Feinbearbeitungsoperation umfasst eine Konturerzeugungsphase, in welcher zwischen einer ersten Axialposition mit relativ kleinerem Soll-Durchmesser der Bohrung und einer zweiten Axialposition mit einem relativ zum ersten Soll-Durchmesser größeren zweiten Soll-Durchmesser durch Erzeugen eines in Axialrichtung der Bohrung ungleichen Materialabtrags an der Innenfläche der Bohrung mittels der Schneidstoffkörper des Honwerkzeugs ein nicht-kreiszylindrischer Bohrungsabschnitt mit einem vorgebbaren axialen Konturverlauf erzeugt wird. Der nicht-kreiszylindrische Bohrungsabschnitt kann sich dabei über die gesamte Bohrungslänge zwischen Bohrungseintritt und Bohrungsaustritt erstrecken, es ist jedoch auch möglich, dass der nicht-kreiszylindrische Bohrungsabschnitt nur einen Teil der gesamten Bohrungslänge einnimmt und an einem oder beiden axialen Enden in einen im Wesentlichen kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt übergeht. Die fertige Bohrung kann beispielsweise die Form einer Flasche haben oder als konisch-zylindrische Bohrung oder als vollständig konische Bohrung gestaltet sein, bei der die erste Axialposition mit dem Bohrungseintritt und die zweite Axialposition mit dem gegenüberliegenden Bohrungsende im Wesentlichen zusammenfällt.
Das Honwerkzeug wird starr oder halb-starr an eine Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine angekoppelt, wobei die Ankopplung direkt oder unter Zwischenschaltung einer starren Antriebsstange erfolgen kann. Die Ankopplung erfolgt dabei so, dass die Werkzeugachse (Längsmittelachse, Rotationsachse) koaxial zur Spindelachse der Arbeitsspindel verläuft. Bei einer starren Ankopplung bleibt diese Orientierung auch bei Einwirkung von Querkräften auf das Honwerkzeug erhalten. Eine halb-starre Ankopplung im Sinne dieser Anmeldung unterscheidet sich von einer für viele Honverfahren typischen mehrfach-gelenkigen Anordnung (z.B. mittels Kugelgelenk oder Kardangelenk) dadurch, dass die halb-starre Ankopplung eine gewisse innere Elastizität aufweist und Rückstellkräfte erzeugt, die in Richtung auf eine koaxiale Ausrichtung von Spindelachse und Werkzeugachse wirken.
Zumindest während der Konturerzeugungsphase wird das Honwerkzeug relativ schnell gedreht mit einer Drehzahl, die bei einem materialabtragenden Eingriff zwischen den Schneidstoffkörpern und der Innenfläche der Bohrung eine Schnittgeschwindigkeit erzeugt, welche in Umfangsrichtung eine Schnittgeschwindigkeits-Komponente von mehr als 100 m/min aufweist. Es können Drehzahlen eingestellt werden, die deutlich höher liegen als die beim Honen typischerweise verwendeten Drehzahlen. Gleichzeitig erfolgt zumindest während der Konturerzeugungsphase ein langsames axiales Bewegen des Honwerkzeugs mit einer Hubgeschwindigkeit von maximal 10 m/min. Derartige Hubgeschwindigkeiten liegen deutlich niedriger als die typischerweise bei vielen Honverfahren genutzten Hubgeschwindigkeiten.
Es wird also ein im Vergleich zu typischen Honprozessen relativ großes Verhältnis zwischen Drehgeschwindigkeit und Hubgeschwindigkeit eingestellt.
Gemäß einer anderen Formulierung wird das Honwerkzeug zumindest während der Konturerzeugungsphase mit einer in Axialrichtung der Bohrung verlaufenden Axialgeschwindigkeits-Komponente und einer in Umfangsrichtung der Bohrung verlaufenden Umfangsrichtungs-Komponente bewegt, so dass ein Geschwindigkeits-Verhältnis zwischen der Axialgeschwindigkeits-Komponente und der Umfangsgeschwindigkeits-Komponente von 1:10 oder 1:100 oder weniger eingestellt wird. Insbesondere kann das Geschwindigkeits-Verhältnis im Bereich von 1:100 bis 1:200 liegen, ggf. sogar darunter.
Während der axialen Bewegung des Honwerkzeugs in demjenigen Bohrungsabschnitt, der eine nicht-kreiszylindrische Gestalt erhalten soll, erfolgt eine weggesteuerte radiale Zustellung der Schneidstoffkörper mit einer von der Axialposition abhängigen Zustellposition in der Weise, dass die Zustellposition bei der axialen Bewegung entsprechend dem vorgegebenen axialen Konturverlauf verändert wird. Bewegt sich also beispielsweise das Honwerkzeug von einer Seite kleineren Soll-Durchmessers zu einer Seite größeren Soll-Durchmessers, so werden die Schneidstoffkörper radial nach außen zugestellt, so dass die Schneidgruppe expandiert wird. Findet die Bewegung dagegen in umgekehrter Richtung (von einer Axialposition mit größerem Soll-Durchmesser zu einer Axialposition mit kleinerem Soll-Durchmesser) statt, so werden die Schneidstoffkörper entsprechend dem gewünschten Konturverlauf radial nach innen zurückgezogen. Es findet also in axialer Richtung der Bohrung eine weggesteuerte Aufweitung bzw. Zustellung statt. Vorzugsweise sollte die Aufweitung mit einer gewissen Vorspannung arbeiten, damit ein Rattern und/oder Vibrieren des Honwerkzeugs sicher ausgeschlossen werden kann.
Eine Besonderheit dieses Verfahrens liegt darin, dass einerseits ein Honwerkzeug verwendet wird, also ein Werkzeug, welches für Honoperationen grundsätzlich geeignet ist und mit geometrisch unbestimmten Schneiden arbeitet. Andererseits wird das Honwerkzeug jedoch mit im Vergleich zum klassischen Honen sehr hohen Drehzahlen und im Vergleich zum klassischen Honen niedriger Hubgeschwindigkeit betrieben, so dass der resultierende Prozess des Materialabtrags einem Schleifprozess ähnelt, welcher aufgrund des großen Verhältnisses zwischen Drehgeschwindigkeit und Hubgeschwindigkeit an der Bohrungsinnenfläche Bearbeitungsriefen erzeugt, die im Wesentlichen in Umfangsrichtung der Bohrungsinnenfläche verlaufen bzw. gegenüber einer Radialebene (senkrecht zur Bohrungsachse) nicht oder nur wenige Grad angestellt sind, beispielsweise um maximal 10° oder maximal 5°.
In Kombination mit der geringen axialen Länge der Schneidstoffkörper der ringförmigen Schneidgruppe wird dadurch eine exakte Konturerzeugung in der Weise ermöglicht, dass nach Abschluss der Konturerzeugungsphase der erzielte Konturverlauf von der Bohrungsinnenfläche bereits im Wesentlichen dem Soll-Konturverlauf nach Ende der Bearbeitung entspricht. Die axial schmale der ringförmigen Schneidgruppe führt auch dazu, dass bereits bei relativ geringen Andruckkräften große Schneidleistungen erzielt werden können und dass die Wege für die Abfuhr von abgetragenem Material, also von Abrieb, relativ kurz sind. Dadurch kann ein Zusetzen der abrasiven Schneidflächen der Schneidkörper durch Abrieb vermieden werden und die Schneidkörper bleiben dauerhaft schneidfreudig. Durch die kurze Bauweise des Schneidbereichs ist auch eine bessere Kühlschmierstoffversorgung möglich, wodurch wiederum die Möglichkeit geschaffen wird, das Honwerkzeug für den Materialabtrag mit relativ hohen Drehzahlen zu betreiben, so dass mehr Abtrag bei geringeren Schnittkräften erzielt werden kann.
Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass zumindest bei der Erzeugung des Bohrungsabschnitts mit axialem Konturverlauf das Honwerkzeug mit einer Drehzahl gedreht wird, die eine Schnittgeschwindigkeit erzeugt, welche in Umfangsrichtung eine Schnittgeschwindigkeits-Komponente von mehr als 150 m/min aufweist, wobei diese Schnittgeschwindigkeits-Komponente insbesondere im Bereich von 200 m/min bis 1000 m/min liegen kann.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest bei der Erzeugung des Bohrungsabschnitts mit axialem Konturverlauf das Honwerkzeug mit einer Hubgeschwindigkeit im Bereich von 0.1 m/min bis zu 2 m/min bewegt wird, wobei die Hubgeschwindigkeit insbesondere im Bereich von 0.3 m/min bis 0.7 m/min liegen kann.
In vielen praktisch relevanten Anwendungsfällen ist die Soll-Form der Bohrung so vorgegeben, dass die zweite axiale Position (mit relativ größerem Soll-Durchmesser) entfernt von einem Bohrungseintritt und die erste axiale Position (mit relativ niedrigerem Soll-Durchmesser) näher am Bohrungseintritt liegt oder mit dem Bohrungseintritt zusammenfällt. Es kann sich beispielsweise um eine insgesamt konische Bohrungsform oder um eine zylindrisch-konische Bohrungsform Bohrungsform in Flaschenform handeln. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass ein Bohrungsabschnitt mit axialem Konturverlauf sich in Richtung des Bohrungseintritts erweitert.
Für die Erzeugung von nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitten, welche auf der Seite des Bohrungseintritts enger sind als weiter entfernt vom Bohrungseintritt, hat sich eine Verfahrensvariante bewährt, die folgende Schritte umfasst: Einführen des Honwerkzeugs in die Bohrung mit zurückgezogenen Schneidstoffkörpern bis in eine Startposition, in welcher sich die Schneidgruppe im Bereich der zweiten Axialposition der Bohrung befindet; Drehen des Honwerkzeugs und gleichzeitiges Expandieren der Schneidgruppe an oder im Bereich der Startposition bis in eine erste Radialposition der Schneidstoffkörper derart, dass durch materialabtragenden Eingriff von Schneidstoffkörpern an der Innenseite der Bohrung an der zweiten Axialposition eine Erweiterung erzeugt wird, deren Durchmesser im Wesentlichen dem zweiten Soll-Durchmesser entspricht; Herausziehen des Honwerkzeugs in Richtung der ersten Axialposition bei gleichzeitiger Drehung des Honwerkzeugs und Reduzierung der Zustellposition derart, dass die Bohrung ausgehend von der Erweiterung sukzessive in Richtung der ersten Axialposition verjüngt wird.
In einer Einführoperation wird also das Honwerkzeug in die Bohrung mit teilweise oder ganz zurückgezogenen Schneidstoffkörpern zunächst bis zur Startposition eingeführt, in welcher sich die Schneidgruppe im Bereich der zweiten Axialposition der Bohrung befindet. In einer nachfolgenden Expandierungsoperation bzw. Aufweitoperation wird das Honwerkzeug um seine Werkzeugachse gedreht und gleichzeitig wird die ringförmige Schneidgruppe aufgeweitet bzw. expandiert, so dass sich ihr wirksamer Außendurchmesser allmählich vergrößert. Diese Operation wird so durchgeführt, dass durch materialabtragenden Eingriff von Schneidstoffkörpern an der Innenseite der Bohrung an der zweiten Axialposition eine Erweiterung erzeugt wird, deren Durchmesser bei Ende der Expansion im Wesentlichen dem zweiten Soll-Durchmesser entspricht.
Danach erfolgt in einer Zugoperation ein Herausziehen des Honwerkzeugs in Richtung der ersten Axialposition bei gleichzeitiger Drehung des Honwerkzeugs und Reduzierung der (radialen) Zustellposition derart, dass die Bohrung ausgehend von der Erweiterung sukzessive in Richtung der ersten Axialposition verjüngt wird. Es wird also bei der Zugoperation von einem weiteren Bohrungsbereich zu einem engeren Bohrungsbereich gearbeitet, wobei das Honwerkzeug unter Zugbeanspruchung steht. Aufgrund der Zugbelastung ergeben sich im Honwerkzeug relativ starke Richtkräfte, die dafür sorgen, dass das Honwerkzeug entgegen eventueller Querkräfte dazu neigt, seine koaxiale Position zur Soll-Position der Bohrungsachse beizubehalten.
Bei Verwendung einer starren Ankopplung kann diese Honoperation ggf. auch eine positionskorrigierende Wirkung haben, also als Positionhonoperation bzw. Positionsschleifoperation genutzt werden. Dadurch könnten sonst vorgeschaltete Prozesse zur Herstellung der richtigen Bohrungsposition (z.B. Positionshonen oder Schrupphonen) entfallen.
Die Variante mit Zugoperation erscheint derzeit vor allem bei Verwendung einer halb-starren Ankopplung eine bevorzugte Option. Diese Verfahrensvariante kann ggf. sogar mit konventioneller gelenkiger Werkzeugankopplung (z.B. mittels Kugelgelenk oder Kardangelenk) durchgeführt werden. Insoweit kann der Schritt der starren oder halb-starren Ankopplung des Werkzeugs entfallen und durch eine gelenkige Ankopplung ersetzt werden.
Bei anderen Verfahrensvarianten kann das Honwerkzeug beim Erzeugen eines Bohrungsabschnitts mit axialem Konturverlauf von einem Bereich kleineren Soll-Durchmessers in Richtung eines Abschnitts mit größerem Soll-Durchmesser axial bewegt und dabei die Schneidgruppe zusammengezogen werden. Hierbei ist eine starre Ankopplung bevorzugt.
Es kann in manchen Fällen sinnvoll sein, während der Konturerzeugungsphase das Honwerkzeug zweimal oder mehrfach in Axialrichtung zu bewegen und dabei die Schneidstoffkörper angepasst an den gewünschten Konturverlauf radial zuzustellen oder zurückzuziehen, bis die gewünschte Soll-Form erreicht ist. Bevorzugt sind jedoch Varianten, bei denen der Bohrungsabschnitt mit axialem Konturverlauf ausgehend von einer im Wesentlichen kreiszylindrischen Bohrungsform mit einem einzigen Hub erzeugt wird, also mit axialer Bewegung des Honwerkzeugs in nur einer Richtung ohne Umsteuern. Hierdurch sind sehr kurze Taktzeiten für die Erzeugung der nicht-kreiszylindrischen Bohrungsform möglich, wodurch die Wirtschaftlichkeit der gesamten Prozesskette verbessert werden kann.
Bei den meisten Verfahrensvarianten werden Honwerkzeuge verwendet, bei denen die Schneidstoffkörper Schneidkörner mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 35 µm bis 250 µm aufweisen, wobei mittlere Korngrößen im Bereich von 50 µm bis 125 µm häufig besonders günstig sind.. Bei Korngrößen in diesem Bereich ist in der Regel ein ausreichend effizienter Materialabtrag möglich, wobei gleichzeitig die nach dem Herausziehen des Honwerkzeugs resultierenden Oberflächenstrukturen so optimiert sind, dass ggf. nachfolgende Bearbeitungsstufen, insbesondere durch Honen, nur noch einen geringen Materialabtrag leisten müssen. Große mittlere Korngrößen (z.B. mehr als 200 µm bis 250 µm) können vor allem dann vorteilhaft sein, wenn große Umfangsgeschwindigkeiten möglich sind, weil dann trotz großer Korngröße (und entsprechend schnellem Materialabtrag) relativ feine Oberflächen erzeugt werden können.
Aufgrund des großen Verhältnisses zwischen Drehzahl und Hubgeschwindigkeit bzw. des kleinen Geschwindigkeits-Verhältnisses zwischen der Axialgeschwindigkeits-Komponente und der Umfangsgeschwindigkeits-Komponente liegen in der Regel nach Ende der Konturerzeugungsphase zumindest in den Bohrungsabschnitten mit nicht-kreiszylindrischer Form Bearbeitungsriefen vor, die im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufen. Dies kann bei Bohrungsinnenflächen, die als statische Dichtflächen dienen sollen, durchaus gewünscht sein. In anderen Fällen jedoch, beispielsweise bei der Erzeugung von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen kann eine geeignete Honstruktur gewünscht sein, also eine Oberflächenstruktur mit einander überkreuzenden Honriefen, die unter bestimmten Honwinkeln zueinander verlaufen. Insbesondere in solchen Fällen wird nach der Erzeugung des nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitts mit vorgebbarem axialem Konturverlauf die Innenfläche der Bohrung in mindestens einer Honoperation zur Erzeugung von Honriefen gehont. Hierzu kann in manchen Fällen (z.B. wenn zunächst mit groben Korngrößen gearbeitet wurde) ein Werkzeugwechsel notwendig sein und/oder die Bearbeitung an einer anderen Bearbeitungsstation. Bei anderen Ausführungsformen wird die Honoperation dagegen mit demselben Honwerkzeug durchgeführt, mit welchem auch während der Konturerzeugungsphase gearbeitet wurde. Die Drehzahl und die Hubgeschwindigkeit werden jedoch für die Honoperation abweichend von den bei der Konturerzeugungsphase genutzten Wertebereichen auf geringere Drehzahl und/oder größere Hubgeschwindigkeit eingestellt.
Auch bei der Verwendung desselben Honwerkzeugs für die Konturerzeugungsphase und eine nachfolgende Honphase gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. In manchen Fällen kann mit denselben Schneidstoffkörpern gearbeitet werden. Bei anderen Fällen wird ein aufweitbares Honwerkzeug verwendet, welches mit Doppel-Aufweitung arbeitet, so dass am Honwerkzeug wahlweise unterschiedliche Schneidstoffkörper in Eingriff mit der Bohrungsinnenwand gebracht werden können. Die WO 2014/146919 zeigt beispielsweise im Zusammenhang mit den 3 und 4 bestimmte Typen von Honwerkzeugen mit einer oder mehreren ringförmigen Schneidgruppen und doppelter Zustellung, welche hierfür verwendet werden können. Der Offenbarungsgehalt dieses Dokuments wird bezüglich des Aufbaus der darin beschriebenen Honwerkzeuge mit ringförmigen Schneidgruppen durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht.
Die abschließende Honoperation kann so gesteuert werden, dass sich Honriefen in der gewünschten Orientierung über die gesamte in Betrieb genutzte Länge der Bohrung erstrecken, auch wenn sich der nicht-kreiszylindrische Bohrungsabschnitt mit dem vorgegebenen axialen Konturverlauf nur über einen Teil der gesamten Bohrungslänge erstreckt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Teils einer mehrachsigen Bearbeitungsmaschine in Form einer Honmaschine bei der Durchführung einer Ausführungsform des Feinbearbeitungsverfahrens;
2 in 2A einen axialen Schnitt und in 2B einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Honwerkzeugs mit einer ringförmigen Schneidgruppe;
3 verschiedene Phasen einer Feinbearbeitungsoperation, die eine Konturerzeugungsphase umfasst.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In 1 ist eine schematische Ansicht eines Teils einer NC-gesteuerten, mehrachsigen Bearbeitungsmaschine 100 in Form einer Honmaschine 100 in Richtung parallel zur x-Richtung des Maschinenkoordinatensystems MKS gezeigt. Die Honmaschine hat mehrere in x-Richtung nebeneinander angeordnete und gleichzeitig betreibbare Honeinheiten. In 1 sind einige Komponenten einer Honeinheit 110 dargestellt. Eine Steuereinrichtung 115 steuert Arbeitsbewegungen beweglicher Komponenten der Honmaschine.
Die Honmaschine ist zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken für Brennkraftmaschinen eingerichtet. Ein aktuell zu bearbeitendes Werkstück 120 ist auf einer Werkstückhaltevorrichtung 125 fest aufgespannt. Die Position des Werkstücks auf der Werkstückhaltevorrichtung ist mittels Indexierelementen 126 vorgegeben, so dass ein definierter Bezug zwischen dem Werkstückkoordinatensystem WKS und dem Maschinenkoordinatensystem MKS existiert. Die Werkstückhalteeinrichtung weist einem horizontal verfahrbaren Schlitten 127 auf, der mittels eines über die Steuereinrichtung 115 ansteuerbaren Antriebs 128 parallel zur y-Richtung des Maschinenkoordinatensystems MKS verfahren werden kann.
Das Werkstück ist im Beispielsfall ein Zylinderkurbelgehäuse eines 4-Zylinder-Reihenmotors mit vier achsparallelen Zylinderbohrungen. Die als nächstes zu bearbeitende Bohrung 122 ist zu erkennen, die anderen Bohrungen liegen in x-Richtung versetzt.
Die Honeinheit 110 ist an der Vorderseite einer auf dem Maschinenbett der Honmaschine aufgebauten vertikalen Trägerkonstruktion 105 angebracht. Die Honeinheit umfasst einen Spindelkasten 135, der als Lagerung für die Arbeitsspindel 130 dient, die mit vertikaler Spindelachse 132 im Spindelkasten geführt ist. Die Drehung der Arbeitsspindel um die Spindelachse wird durch einen nicht dargestellten Drehantrieb bewirkt, der am Spindelkasten angebracht ist und z.B. über einen Kettentrieb auf die Arbeitsspindel wirkt. Ein mit dem Spindelkasten konstruktiv verbundener Hubantrieb bewirkt die parallel zur Spindelachse 132 verlaufenden Vertikalbewegungen der Arbeitsspindel beim Einführen des später noch erläuterten Honwerkzeugs 200 in die zu bearbeitende Bohrung bzw. beim Herausziehen des Honwerkzeugs aus dieser Bohrung. Außerdem kann der Hubantrieb während einer Honbearbeitung durch die Steuereinrichtung 115 so angesteuert werden, dass das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung des Werkstücks eine vertikale Hin- und Her-Bewegung entsprechend der gewünschten Honparameter ausführt.
Das Honwerkzeug 200 ist im Beispielsfall starr an das freie Ende der Arbeitsspindel 130 gekoppelt. Zur Herstellung der starren, aber lösbaren Verbindung zwischen Arbeitsspindel und Honwerkzeug kann z.B. eine entsprechend gesicherte Bajonettverbindung, eine Schraubverbindung, eine Flanschverbindung oder eine Kegelverbindung, z.B. mit Hohlschaftkegel (HSK), vorgesehen sein. Weder in der Arbeitsspindel noch im Honwerkzeug ist ein Gelenk vorgesehen. Die zentrale Werkzeugachse 212 des Honwerkzeugs verläuft im unbelasteten Zustand, d.h. in Abwesenheit von auf das Honwerkzeug wirkenden Querkräften, koaxial mit der Spindelachse 132 im Bereich ihrer Lagerung im Spindelkasten.
Bei einer nicht bildlich dargestellten Variante ist eine halb-starre Ankopplung vorgesehen. Eine halb-starre Ankopplung kann beispielsweise unter Verwendung einer sogenannten Hardyscheibe (Gelenkscheibe) erfolgen, welche beispielsweise als eine aus hartelastischem Gummi oder einem anderen elastischen Material (z.B. Kunststoff) gefertigte Scheibe mit einvulkanisierten oder auf andere Weise in der Scheibe befestigten Buchsen ausgestaltet sein kann, die abwechselnd einerseits am Honwerkzeug und andererseits an der Arbeitsspindel oder einer Antriebsstange befestigt sind, um zu gewährleisten, dass Kräfte bei der Übertragung durch die elastische Scheibe verlaufen. Honwerkzeug-Anordnungen der in der DE 10 2004 062 443 A1 beschriebenen Art können verwendet werden. Der Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung wird insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Eine halb-starre Ankopplung kann auch durch Verwendung einer Biegestange erreicht werden.
Die Honeinheit 110 mit der darin enthaltenen vertikalen Arbeitsspindelspindel 130 ist als Ganzes in horizontaler Richtung parallel zur x-Achse des Maschinenkoordinatensystems MKS, also senkrecht zur Spindelachse in einer Querrichtung linear verfahrbar. Dadurch ist es u.a. möglich, ohne Verlagerung des Werkstücks an einem Werkstück zunächst eine erste Bohrung zu bearbeiten, die Arbeitsspindel dann zurückzuziehen, die Honeinheit als Ganzes in einer Querbewegung parallel zur x-Richtung zu verfahren und etwa koaxial zu einer danach zu bearbeitenden zweiten Bohrung zu positionieren, um mit der gleichen Honeinheit die zweite Bohrung zu bearbeiten. Horizontale Querbewegungen in x-Richtung können auch dazu benutzt werden, die Honeinheit zu einem in Linie mit der Querbewegung angeordneten Werkzeugwechsler zu verfahren. Um die horizontale Querbewegung zu ermöglichen, ist der Spindelkasten auf einem horizontal verfahrbaren Schlitten 114 montiert, der auf zwei horizontalen Führungsschienen an der dem Spindelkasten zugewandten Vorderseite der Trägerstruktur 105 linear geführt ist. Die Querbewegung wird durch einen Positionierantrieb 118 bewirkt, der zwischen der Trägerkonstruktion und dem Schlitten 114 angeordnet ist.
Bei der nachfolgend näher beschriebenen Honoperation wird ein Honwerkzeug 200 besonderer Konstruktion verwendet wird, welches in dieser Anmeldung auch als „Ringwerkzeug“ bezeichnet wird (vgl. Auch 2). Das Honwerkzeug hat eine ringförmig am Werkzeugkörper 210 angebrachte Schneidgruppe 220 mit um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern 220-1 bis 220-3, die mittels eines zugeordneten Zustellsystems in Radialrichtung zugestellt beziehungsweise zurückgezogen werden können. Die Schneidstoffkörper sind als Honsegmente gestaltet, deren Breite in Umfangsrichtung deutlich größer ist als ihre Länge in Axialrichtung. Die für den Materialabtrag an Werkstück zuständigen abrasiven Schneidstoffkörper sind in einer axial relativ schmalen Zone (ringförmige Schneidgruppe) konzentriert und nehmen einen relativ großen Anteil des Umfangs des Honwerkzeugs ein.
2 zeigt in 2A einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines Ringwerkzeugs 200 mit einer einzigen ringförmigen Schneidgruppe 220 und einfacher Aufweitung. 2B zeigt einen Querschnitt durch die Schneidgruppe Das Ringwerkzeug 200 hat einen Werkzeugkörper 210, der eine Werkzeugachse 212 definiert, die gleichzeitig die Rotationsachse des Ringwerkzeugs während der Honbearbeitung ist. Am spindelseitigen Ende des Ringwerkzeuges (in 2A oben) befindet sich eine nicht näher dargestellte Kupplungsstruktur zum starren Ankoppeln des Ringwerkzeuges an eine Antriebsstange oder eine Arbeitsspindel einer Honmaschine oder einer anderen Bearbeitungsmaschine, welche eine Arbeitsspindel hat, die sowohl um die Spindelachse drehbar als auch parallel zur Spindelachse, ggf. oszillierend, hin- und her bewegbar ist.
Am spindelabgewandten Ende des Werkzeugkörpers (in 2A unten) befindet sich die ringförmige Schneidgruppe 220, die mehrere (im Beispielsfall drei) gleichmäßig über den Umfang des Werkzeugkörpers verteilte Schneidstoffkörper 220-1, 220-2, 220-3 aufweist, welche mithilfe eines Schneidstoffkörper-Zustellsystems radial zur Werkzeugachse 212 nach außen zugestellt werden können, um die abrasiv wirkenden Außenseiten des Schneidstoffköpers, d.h. die Schneidflächen, mit einer definierten Andrückkraft bzw. Anpresskraft an die Innenfläche einer zu bearbeitenden Bohrung anzudrücken. Jeder der drei bogenförmig gekrümmten Schneidstoffkörper ist als ein in Umfangsrichtung sehr breites, in Axialrichtung dagegen schmales Honsegment gestaltet, welches ein Umfangswinkelbereich zwischen 115° und 120° abdeckt. Die Honsegmente sind vom Werkzeugkörper entkoppelt und relativ zu diesem radial zur Werkzeugachse 212 verschiebbar. Der durch die Honsegmente gebildete Ring schließt am spindelabgewandten Seite bündig mit dem Werkzeugkörper ab, so dass der Ring vollständig innerhalb der spindelabgewandten Hälfte des Werkzeugkörpers am spindelabgewandten Ende des Ringwerkzeugs sitzt.
Ein bündiger Abschluss mit dem unteren Ende des Werkzeugkörpers ist häufig günstig, aber nicht zwingend. Im Allgemeinen sollte der Ring im spindelfernen Drittel oder im spindelfernen Viertel des Werkzeugkörpers sitzen, es kann ein geringer Abstand zur Stirnseite des Werkzeugkörpers vorliegen.
Die axiale Länge LHS der Honsegmente liegt bei weniger 15%, insbesondere bei weniger als 10% der Bohrungslänge L. Die Honsegmente sind ca. 4 mm bis 35 mm, insbesondere ca. 10 mm hoch (in Axialrichtung), was im Beispielsfall zwischen 5% und 30%, insbesondere zwischen 10% und 20% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe bei maximal nach innen zurückgezogenen Schneidstoffkörpern entspricht. Das Honwerkzeug hat nur diese eine ringförmige Schneidgruppe. Die axiale Länge LHS entspricht daher gleichzeitig der axialen Länge des gesamten Schneidbereichs des Honwerkzeugs.
Jeder Schneidstoffkörper ist an einer Außenseite einer zugeordneten Tragleiste 224-1, 224-2 aus Stahl durch Löten befestigt. Alternativ kann der Schneidstoffkörper auch durch Kleben oder mittels Schrauben befestigt werden, wodurch eine leichtere Auswechslung möglich ist. Jede Tragleiste hat an ihrer Innenseite eine Schrägfläche, die mit einer konischen Außenfläche eines axial verschiebbaren Zustellkonus 232 in der Weise zusammenwirkt, dass die Tragleisten mit den davon getragenen Schneidstoffkörpern nach radial außen zugestellt werden, wenn der Zustellkonus mittels einer maschinenseitigen Zustellvorrichtung gegen die Kraft von Rückholfedern 234, 226, 228 in Richtung des spindelabgewandten Endes des Ringwerkzeugs gedrückt wird. Bei entgegengesetzter Zustellbewegung werden die Tragleisten mit den Honsegmenten mit Hilfe umlaufender Rückholfedern 226, 228 nach radial innen zurückgeholt. Die radiale Position der Schneidstoffkörper wird dadurch spielfrei über die axiale Position des Zustellkonus 232 gesteuert.
Ein Honsegment kann, wie gezeigt, an seiner Außenseite eine durchgängige, ununterbrochene Schneidfläche haben. Dazu kann der Schneidbelag aus einem einzigen Stück des Schneidmittels bestehen. Es ist auch möglich, dass mehrere (z. B. zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr) jeweils relativ schmale Schneidstoffkörper eng benachbart mit oder ohne gegenseitigen Abstand an der bogenförmig gekrümmten Außenseite eines gemeinsamen Trägerelements angebracht sind. Die Schneidfläche wäre dann unterbrochen, was ggf. für die Kühlschmierstoffversorgung günstig sein kann.
Die Schneidgruppe kann insgesamt eine leicht konische äußere Gestalt haben, so dass die abrasiv wirkenden Außenseiten des Schneidstoffköpers, d.h. die Schneidflächen, insgesamt kegelstumpfförmig verlaufen, wobei der wirksame Durchmesser der Schneidgruppe am spindelzugewandten Ende etwas (z.B. einige Prozent) kleiner ist als am spindelfernen Ende. Die konische Form ist in den 1 und 3 aus Gründen der Darstellbarkeit stark überzeichnet.
Die Nutzung von relativ breiten Honsegmenten in der ringförmigen Schneidgruppe kann u.a. bei der Bearbeitung von Bohrungen günstig sein, die z.B. zum Zwecke des Gasaustauschs Querbohrungen aufweisen, die an der zu bearbeitenden Bohrungsinnenfläche münden. Breite, in sich starre Honsegmente können den Mündungsbereich überbrücken, so dass das Honwerkzeug nicht „hängenbleiben“ kann. Wenn nur wenige (z.B. drei) breite Honsegmente vorgesehen sind, müssen am Werkzeugkörper auch nur wenige radiale Durchbrechungen vorgesehen sein, so dass sich eine verbesserte mechanische Stabilität ergibt, die gerade bei einer stark Material abtragenden Bearbeitung günstig ist.
Maschinenseitig umfasst das Zustellsystem für die Schneidgruppe einen Servomotor oder einen Schrittmotor, der eine weggesteuerte Zustellung (Vorgabe des Zustellwegs bzw. der Zustellposition) erlaubt.
Anhand der 3 wird nachfolgend eine Ausführungsform eines Feinbearbeitungsverfahrens beschrieben, welches es ermöglicht, an einer rotationssymmetrischen Bohrung einen rotationssymmetrischen Bohrungsabschnitt mit einem vorgegebenen axialen Konturverlauf, also eine Änderung des Durchmessers in Axialrichtung, zu erzeugen. 3 zeigt hierzu verschiedene zeitlich aufeinanderfolgende Situationen aus aufeinanderfolgenden Phasen der Bearbeitung.
In vorbereitenden Bearbeitungsoperationen wurde im Werkstück eine zwischen Bohrungseintritt 123 und Bohrungsaustritt 124 durchgehend kreiszylindrische Bohrung 122 erzeugt, deren Bohrungsachse im Rahmen der Toleranzen mit der Soll-Position SB der Bohrungsachse zusammenfällt. Die Vorbearbeitung kann beispielsweise mittels Feinbohren und nachfolgendem Langhubhonen in an sich bekannter Weise durchgeführt werden.
Am Ende dieser Vorbearbeitung hat die Bohrung 122 im Bereich des Bohrungseintritts 123 bereits das nach der Bearbeitung gewünschte Endmaß, d.h. ihren Soll-Bohrungsdurchmesser am Eintritt, erreicht. Am Ende der Bearbeitung ist jedoch eine in Bezug auf die Bohrungsachse rotationssymmetrische Bohrungsform gewünscht, die einen axialen Konturverlauf aufweist, also in Axialrichtung eine Durchmesservariation aufweist, die deutlich größer ist als die durch Fertigungstoleranzen bedingten Durchmesservariationen. Der gewünschte Konturverlauf ist in 3A gestrichelt dargestellt.
Ein erster Bohrungsabschnitt BA1 am eintrittsseitigen Ende der Bohrung hat einen ersten Durchmesser D1 und erstreckt sich über eine erste Länge L1. Der erste Bohrungsabschnitt hat über seine gesamte Länge L1 kreiszylindrische Gestalt. Der erste Bohrungsabschnitt geht in einem axial schmalen Übergangsabschnitt mit einem Übergangsradius in einen zweiten Bohrungsabschnitt BA2 über, der sich vom Übergangsabschnitt bis nahe zum austrittsseitigen Ende der Bohrung (bei anderen Ausführungsformen bis zum Ende der Bohrung) erstreckt. Der zweite Bohrungsabschnitt BA2 hat im Wesentlichen eine konische bzw. kegelstumpfförmige Gestalt und erstreckt sich über eine zweite Länge L2. Der zweite Bohrungsabschnitt hat durchgängig einen Innendurchmesser (zweiter Durchmesser) D2, der größer als der erste Durchmesser D1 ist, wobei der zweite Durchmesser ausgehend vom Übergangsabschnitt (bei der ersten Axialposition AX1) zum Bohrungsende hin kontinuierlich linear zunimmt. Der Konuswinkel α (Winkel zwischen der Bohrungsachse und einer in einer Axialebene verlaufenden Mantellinie des zweiten Bohrungsabschnitts) kann z.B. im Bereich weniger als 5° liegen, ggf. auch bei weniger als 1°. Am eintrittsfernen Ende der Bohrung kann sich ein dritter Bohrungsabschnitt BA3 anschließen, der wiederum kreiszylindrisch ist, so dass sich etwa eine Flaschenform der Bohrung ergibt. Es ist auch möglich, dass der konische Abschnitt bis zum Bohrungsende 124 durchgeht, so dass eine zylindrisch-konische Bohrungsform vorliegt.
Die erste Länge L1 kann beispielsweise zwischen 10% und 60% der Bohrungslänge L betragen. Die zweite Länge L2 ist typischerweise deutlich größer als die erste Länge und liegt häufig zwischen 30% und 80% der Bohrungslänge L. Der Durchmesserunterschied zwischen dem ersten Durchmesser D1 und dem zweiten Durchmesser D2 in eintrittsfernen Teilen liegt deutlich außerhalb der für die Honbearbeitung typischen Toleranzen, die für eine Zylinderform in der Größenordnung von maximal 10 µm (bezogen auf den Durchmesser) liegen. Bei einem Absolutwert des Innendurchmessers in der Größenordnung zwischen 50 mm und 500 mm (letzteres z.B. bei Schiffsmotoren) kann der maximale Durchmesserunterschied beispielsweise zwischen 20 µm und 500 µm liegen.
Der axiale Konturverlauf kann insgesamt so optimiert sein, dass sich in typischen Betriebszuständen des Motors geringer Blow-by, geringer Ölverbrauch und geringer Verschleiß der Kolbenringe ergeben.
Die Form der Bohrung führt dazu, dass die Bohrung im eintrittsnahen Bereich vergleichsweise eng ist, so dass die Kolbenringe des in der Bohrung laufenden Kolbens unter höherer Ringspannung an die Bohrungsinnenfläche gedrückt werden. Dadurch wird dort, wo die Verbrennung hauptsächlich erfolgt und hohe Drücke auftreten, eine zuverlässige Abdichtung erreicht und der Ölfilm wird im Abwärtshub abgestreift. Der durch die Verbrennung beschleunigte Kolben bewegt sich dann Richtung Bohrungsaustritt, wobei die Kolbenringe zunächst den Übergangsabschnitt und dann den konischen zweiten Bohrungsabschnitt mit dem sich kontinuierlich erweiterten Innendurchmesser durchlaufen. Ab dem Übergangsabschnitt können sich die Kolbenringe allmählich entspannen, wobei die Abdichtung ausreichend bleibt, weil die Druckdifferenz an den Kolbenringen sinkt. Am eintrittsfernen Ende des zweiten Bohrungsabschnitts erreicht das Ringpaket seine niedrigste Spannung. Beim Aufwärtshub nimmt die Ringspannung dann allmählich wieder zu, bis die Kolbenringe den Übergangsabschnitt erreichen und diesen in Richtung des ersten Bohrungsabschnitts durchlaufen. Weiterhin wird berücksichtigt, dass eine durch Wärmeeinflüsse verursachte Aufweitung der Zylinderlaufbahn im oberen, zylindrischen Teil der Bohrung stärker ist als im konischen Bereich. Dadurch ergibt sich im befeuerten Zustand insgesamt eine weitgehend zylindrische bzw. deutlich weniger konische Bohrungsform als im kalten Zustand.
Zunächst wird in einer Positionierungsoperation das Honwerkzeug relativ zur Bohrung so positioniert, dass die Werkzeugachse 212 koaxial zur Soll-Position SP der Bohrung liegt. Hierzu wird bei Bedarf der Werkstückträger 127 parallel zur y-Richtung des Maschinenkoordinatensystems und/oder der Spindelkasten bzw. die Arbeitsspindel parallel zur x-Richtung des Maschinenkoordinatensystems horizontal verfahren. Die durch die Positionierungsoperation eingestellte koaxiale Position ist in 3A schematisch dargestellt.
Vorher, nachher oder gleichzeitig mit der Positionierung wird die Zustellstange des Schneidstoffkörper-Zustellsystems nach oben bewegt, bis die Schneidstoffkörper ihre maximal nach innen zurückgezogene Position einnehmen, wodurch der Außendurchmesser der ringförmigen Schneidgruppe 220 seinen kleinsten Wert einnimmt. Das Honwerkzeug passt dann bei vertikalen Verfahren ohne Berührung der Bohrungswände in die Bohrung hinein.
Danach wird das Honwerkzeug durch Betätigung des Hubantriebs der Arbeitsspindel in die Bohrung 122 eingeführt und so weit abgesenkt, bis das Honwerkzeug seine in 3B gezeigte Startposition erreicht, in welcher sich die Schneidgruppe im Bereich der zweiten Axialposition AX2 der Bohrung befindet. Hier am eintrittsfernen Bohrungsende soll später der maximale Durchmesser der Bohrung (zweiter Soll-Durchmesser) vorliegen. Da bei dem gezeigten Ringwerkzeug die Schneidgruppe 220 bündig mit der spindelfernen Stirnseite des Werkzeugkörpers ist, kann das Ringwerkzeug praktisch bis auf Anschlag an den Bohrungsgrund oder, bei Durchgangsbohrungen, bis auf Anschlag an die Oberseite der Werkstückhalterung gefahren werden. In der Praxis wird jedoch in der Regel ein geringer Abstand von wenigen Millimetern, beispielsweise 1 bis 2 mm, eingehalten. Während der Einfuhroperation kann die Arbeitsspindel langsam gedreht werden, dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Wenn sich das Honwerkzeug in der Startposition befindet, kann die nachfolgende Teiloperation, nämlich eine Expandierungsoperation, beginnen. Bei der Expandierungsoperation (3C) wird das Honwerkzeug um seine Werkzeugachse gedreht und gleichzeitig wird durch Ansteuerung des Schneidstoffkörper-Zustellsystems die Schneidgruppe langsam expandiert, so dass sich der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe allmählich vergrößert, bis schließlich die Schneidstoffkörper an der Bohrungsinnenwand angreifen und bei drehendem Werkzeug Material abtragen.
Die weggesteuerte radiale Zustellung der Schneidstoffkörper nach außen wird so lange fortgeführt, bis die Schneidstoffkörper eine vorab definierte erste Radialposition erreichen (3C). Danach wird die weitere Zustellung durch die Steuereinrichtung gestoppt. Durch den Materialabtrag über den Umfang der Schneidgruppe in Verbindung mit der radialen Zustellung wird bei der Expandierungsoperation durch materialabtragenden Eingriff von Schneidstoffkörpern an der Innenseite der Bohrung im Bereich der zweiten Axialposition eine zur Bohrungsachse koaxiale, leicht konische Erweiterung 125 erzeugt. Das Übermaß der Erweiterung gegenüber dem zum Bohrungseintritt anschließenden Bohrungsabschnitt kann bezogen auf den Durchmesser beispielsweise im Bereich von 20 bis 100 µ oder darüber liegen, ggf. auch darüber. Bei PKW-Motoren liegt das Übermaß häufig im Bereich von 30 µm bis 60 µm, bei größeren Durchmessern (z.B. bei Schiffsmotoren) sind auch mehrere hundert Mikrometer Übermaß möglich.
Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass bei der Expandierungsoperation bereits Drehzahlen des Honwerkzeugs im Bereich von 400 min^–1 bis 1000 min^–1 in der Regel gute Ergebnisse bringen.
Anschließend wird das Honwerkzeug mit geringer axialer Hubgeschwindigkeit langsam vom Bohrungsende in Richtung Bohrungseintritt gezogen. Während dieser langsamen axialen Hubbewegung dreht sich das Honwerkzeug weiter sehr schnell, so dass im Eingriffsbereich zwischen Schneidstoffkörpern und Bohrungsinnenwand Schnittgeschwindigkeiten in Umfangsrichtung vorliegen, wie sie auch bei typischen Schleifvorgängen vorkommen können (beispielsweise im Bereich von 10 m/s bis 100 m/s. Geeignete Drehzahlen sind experimentell leicht zu ermitteln, die Drehzahl kann auch abhängig von der Art der Kühlschmierstoffspülung optimiert werde. Gegenebenfalls sind Honwerkzeuge mit Innenspülung (d.h. mit innerer, werkzeug-interner Kühlschmierstoffzuführung) vorteilhaft. Während der axialen Bewegung des Honwerkzeugs innerhalb des zweiten Bohrungsabschnitts BA2 werden die Schneidstoffkörper mit einer von der Axialposition abhängigen Zustellposition weggesteuert radial zurückgezogen in der Weise, dass die radiale Zustellposition bei der axialen Bewegung entsprechend dem vorgegebenen axialen Konturverlauf verringert wird. Im Beispielsfall wird die radiale Zustellposition gemäß einer linearen Funktion mit der Axialposition verändert, so dass sich im zweiten Bohrungsabschnitt BA2 allmählich der gewünschte konische Konturverlauf ergibt (3D). Wie in dem Detail zu 3D ersichtlich, entstehen beim Materialabtrag mit dem sehr schnell drehenden Honwerkzeug Bearbeitungsriefen R1, die im Wesentlichen in Umfangsrichtung der Bohrung verlaufen.
Für die Teiloperation des Herausziehens des Honwerkzeugs bei gleichzeitiger Verringerung des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe liegen die Hubgeschwindigkeiten typischerweise im Bereich zwischen 0.3 m/min und 0.7 m/min, sie können jedoch auch kleiner sein, beispielsweise bis hinunter zu 0.1 m/min, oder aber größer, bis über 1 m/min, beispielsweise bis zu ca. 2 m/min.
Die weggesteuerte radiale Zustellung der Schneidstoffkörper nach innen bei gleichzeitigem axialen Herausziehen wird so lange fortgeführt, bis der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe den Wert des ersten Durchmessers D1 und die Schneidgruppe die erste Axialposition AX1 erreicht. Damit ist dann die Erzeugung bzw. Herstellung des konischen Bohrungsabschnitts abgeschlossen. Das Honwerkzeug kann dann bei weiterem Zurückziehen der Schneidstoffkörper aus der Bohrung herausgezogen werden.
In der Regel kann zumindest während der Konturerzeugungsphase mit konstanter Hubgeschwindigkeit gearbeitet werden, wobei jedoch auch Abweichungen mit einer gleichmäßigen Hubgeschwindigkeit möglich sind. Insbesondere ist bei manchen Varianten vorgesehen, die axiale Hubgeschwindigkeit so variabel zu steuern, dass im Aufweitungssystem bzw. Zustellsystem eine leichte Verspannung besteht, so dass das Honwerkzeug bei der materialabtragenden Bearbeitung nicht vibriert oder taumelt. Eine Verspannungsmessung und eine gegebenenfalls damit gekoppelte Verspannungsregelung kann beispielsweise über Anpassung des Drehmoments erfolgen und/oder mit Unterstützung von Sensoren, wie piezoelektrischen Elementen und/oder Dehnmessstreifen.
Um an der fertig bearbeiteten Bohrung nicht die in 3D gezeigten umlaufenden Schleifriefen R1 zu haben, sondern Honriefen geeigneter Orientierung, wird in einer nachfolgenden Honoperation dasselbe Honwerkzeug zur Durchführung einer Honoperation genutzt. Dies ist schematisch in 3E gezeigt. Dazu wird das Honwerkzeug wieder in die Bohrung eingefahren und mittels des Hubantriebs in Axialrichtung zwischen einem unteren Umkehrpunkt (in der Nähe des Bohrungsendes) und einem oberen Umkehrpunkt (in der Nähe des Bohrungseintritts) mehrfach hin- und her bewegt. Bei dieser Honoperation liegen typische Drehzahlen so niedrig, dass Schnittgeschwindigkeiten im Bereich von weniger als 100 m/min erreicht werden. Dabei erfolgt eine hubabhängige Steuerung der Aufweitung des Honwerkzeugs in der Weise, dass die Steuerung des Aufweitungssystems bzw. Zustellsystems für die radiale Zustellung der Schneidstoffkörper des Honwerkzeugs mit der Steuerung für die Hubposition gekoppelt wird. Dies wird dann beispielsweise so durchgeführt, dass die Zustellkraft und/oder die Zustellgeschwindigkeit der Schneidstoffkörper des Honwerkzeugs in Abhängigkeit von der Hubposition des Honwerkzeugs gesteuert werden, um auf diese Weise eine variable Kraft-/Wegsteuerung zur Konturverfolgung zu ermöglichen. Dabei werden die Honsegmente der Schneidgruppe während eines Abwärtshubs (in Richtung Bohrungsende) entsprechend der konischen Form des zweiten Bohrungsabschnitts in Abhängigkeit von der Hubposition weg- und/oder kraftgesteuert radial nach außen zugestellt und bei einem entgegen gerichteten Aufwärtshub entsprechend der konischen Form in Abhängigkeit von der Hubposition radial zurückgezogen. Durch geeignete Kombination von Hubgeschwindigkeit und Drehzahl entstehen dann die in dem vergrößerten Detail schematisch gezeigten, sich überkreuzenden Honriefen R2 an der Bohrungsinnenfläche. Vorzugsweise wird in dieser Phase eine Kraftsteuerung so eingestellt, dass diese Bearbeitung mit konstanter Andrückkraft erfolgt, wodurch besonders gleichmäßige Riefentiefen erzielbar sind.
Im Beispielsfall ist ein Honwerkzeug mit einer einzigen ringförmigen Schneidgruppe und einfacher Aufweitung dargestellt. Es ist auch möglich, ein Honwerkzeug mit Doppel-Aufweitung zu verwenden, entweder ebenfalls mit einer einzigen Schneidgruppe oder aber mit zwei axial gegeneinander versetzten Schneidgruppen. Wenn Honwerkzeuge mit Doppel-Aufweitung verwendet werden, können bei Bedarf für die Konturerzeugung andere Schneidstoffkörper in Eingriff mit der Bohrungsinnenfläche gebracht werden als bei der nachfolgenden Honoperation.
Anstelle einer Honmaschine kann auch eine andere geeignete numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschine verwendet werden, z.B. eine Schleifmaschine.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1790435 B1 [0007]
WO 2014/146919 A1 [0008]
WO 2014/146919 [0031]
DE 102004062443 A1 [0042]

Claims

Feinbearbeitungsverfahren zum Herstellen einer rotationssymmetrischen Bohrung mit einem axialen Konturverlauf, worin bei einer Feinbearbeitungsoperation ein aufweitbares Honwerkzeug (200) verwendet wird, welches mindestens eine aufweitbare ringförmige Schneidgruppe (220) mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern aufweist, deren axiale Länge kleiner als der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern ist, wobei in einer Konturerzeugungsphase zwischen einer ersten Axialposition (AX1) mit relativ kleinerem Soll-Durchmesser und einer zweiten Axialposition (AX2) mit einem relativ zum ersten Soll-Durchmesser größeren zweiten Soll-Durchmesser durch Erzeugen eines in Axialrichtung der Bohrung ungleichen Materialabtrags an der Innenfläche der Bohrung mittels der Schneidstoffkörper des Honwerkzeugs ein nicht-kreiszylindrischer Bohrungsabschnitt mit einem vorgebbaren axialen Konturverlauf erzeugt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte umfasst: Starres oder halb-starres Ankoppeln des Honwerkzeugs (200) an eine Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine; Schnelles Drehen des Honwerkzeugs mit einer Drehzahl, die bei einem materialabtragenden Eingriff zwischen den Schneidstoffkörpern und der Innenfläche der Bohrung eine Schnittgeschwindigkeit erzeugt, die in Umfangsrichtung eine Schnittgeschwindigkeits-Komponente von mehr als 100 m/min aufweist; Langsames axiales Bewegen des Honwerkzeugs mit einer Hubgeschwindigkeit von maximal 10 m/min; und Weggesteuertes radiales Zustellen der Schneidstoffkörper mit einer von der Axialposition abhängigen Zustellposition während der axialen Bewegung des Honwerkzeugs in dem Bohrungsabschnitt in der Weise, dass die Zustellposition bei der axialen Bewegung entsprechend dem vorgegebenen axialen Konturverlauf verändert wird.
Feinbearbeitungsverfahren zum Herstellen einer rotationssymmetrischen Bohrung mit einem axialen Konturverlauf, worin bei einer Feinbearbeitungsoperation ein aufweitbares Honwerkzeug (200) verwendet wird, welches mindestens eine aufweitbare ringförmige Schneidgruppe (220) mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern aufweist, deren axiale Länge kleiner als der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern ist, wobei in einer Konturerzeugungsphase zwischen einer ersten Axialposition (AX1) mit relativ kleinerem Soll-Durchmesser und einer zweiten Axialposition (AX2) mit einem relativ zum ersten Soll-Durchmesser größeren zweiten Soll-Durchmesser durch Erzeugen eines in Axialrichtung der Bohrung ungleichen Materialabtrags an der Innenfläche der Bohrung mittels der Schneidstoffkörper des Honwerkzeugs ein nicht-kreiszylindrischer Bohrungsabschnitt mit einem vorgebbaren axialen Konturverlauf erzeugt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte umfasst: Starres oder halb-starres Ankoppeln des Honwerkzeugs (200) an eine Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine; Bewegen des Honwerkzeugs zumindest während der Konturerzeugungsphase mit einer in Axialrichtung der Bohrung verlaufenden Axialgeschwindigkeits-Komponente und einer in Umfangsrichtung der Bohrung verlaufenden Umfangsrichtungs-Komponente derart, dass ein Geschwindigkeits-Verhältnis zwischen der Axialgeschwindigkeits-Komponente und der Umfangsgeschwindigkeits-Komponente von 1:10 oder weniger eingestellt wird; Weggesteuertes radiales Zustellen der Schneidstoffkörper mit einer von der Axialposition abhängigen Zustellposition während der axialen Bewegung des Honwerkzeugs in dem Bohrungsabschnitt in der Weise, dass die Zustellposition bei der axialen Bewegung entsprechend dem vorgegebenen axialen Konturverlauf verändert wird.
Feinbearbeitungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Geschwindigkeits-Verhältnis zumindest während der Konturerzeugungsphase im Bereich von 1:100 bis 1:200 liegt.
Feinbearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei der Erzeugung des Bohrungsabschnitts mit axialem Konturverlauf das Honwerkzeug mit einer Drehzahl gedreht wird, die eine Schnittgeschwindigkeit erzeugt, die in Umfangsrichtung eine Schnittgeschwindigkeits-Komponente von mehr als 150 m/min, insbesondere im Bereich von 200 m/min bis 1000 m/min, aufweist.
Feinbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei der Erzeugung des Bohrungsabschnitts mit axialem Konturverlauf das Honwerkzeugs mit einer Hubgeschwindigkeit im Bereich von 0.1 m/min bis zu 2 m/min bewegt wird, insbesondere im Bereich von 0.3 m/min bis 0,7 m/min.
Feinbearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Axialposition (AX2) entfernt von einem Bohrungseintritt (123) und die erste Axialposition (AX1) näher am Bohrungseintritt oder am Bohrungseintritt liegt.
Feinbearbeitungsverfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Einführen des Honwerkzeugs in die Bohrung mit zurückgezogenen Schneidstoffkörpern bis in eine Startposition, in welcher sich die Schneidgruppe im Bereich der zweiten Axialposition (AX2) der Bohrung befindet; Drehen des Honwerkzeugs und gleichzeitiges Expandieren der Schneidgruppe (220) an oder im Bereich der Startposition bis in eine erste Radialposition der Schneidstoffkörper derart, dass durch materialabtragenden Eingriff von Schneidstoffkörpern an der Innenseite der Bohrung an der zweiten Axialposition eine Erweiterung (125) erzeugt wird, deren Durchmesser im Wesentlichen dem zweiten Soll-Durchmesser (D2) entspricht; Herausziehen des Honwerkzeugs in Richtung der ersten Axialposition (AX1) bei gleichzeitiger Drehung des Honwerkzeugs und Reduzierung der Zustellposition derart, dass die Bohrung ausgehend von der zylindrischen Erweiterung sukzessive in Richtung der ersten Axialposition verjüngt wird.
Feinbearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrungsabschnitt mit axialem Konturverlauf ausgehend von einer im Wesentlichen kreiszylindrischen Bohrungsform mit einen einzigen Hub erzeugt wird.
Feinbearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Hubgeschwindigkeit derart variabel gesteuert wird, dass im Zustellsystem eine leichte Verspannung besteht, so dass das Honwerkzeug bei der materialabtragenden Bearbeitung nicht vibriert, rattert und/oder taumelt, wobei vorzugsweise eine Verspannungsmessung und eine damit gekoppelte Verspannungsregelung über Anpassung des Drehmoments und/oder mit Unterstützung von Sensoren, insbesondere piezoelektrischen Elementen und/oder Dehnmessstreifen, erfolgt.
Feinbearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erzeugung des nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt mit vorgebbaren axialen Konturverlauf die Innenfläche der Bohrung in mindestens einer Honoperation zur Erzeugung von Honriefen (R2) gehont wird.
Feinbearbeitungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Honoperation zur Erzeugung von Honriefen (R2) mit demselben Honwerkzeug (200) durchgeführt wird wie die vorgeschaltete Feinbearbeitungsoperation zur Erzeugung des nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitts.
Feinbearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, das mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: (i) an der ringförmigen Schneidgruppe (220) sind mehr als 60% des Umfangs mit Schneidmittel belegt, insbesondere mehr als 70% oder mehr als 80% des Umfangs der Schneidgruppe; (ii) die axiale Länge (LHS) der Schneidstoffkörper liegt bei weniger als 30% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe, insbesondere zwischen 10% und 20% dieses Außendurchmessers; (iii) die axiale Länge (LHS) der Schneidstoffkörper liegt im Bereich von 5 mm bis 20 mm; (iv) die axiale Länge (LHS) der Schneidstoffkörper beträgt weniger als 10% der Bohrungslänge der Bohrung; (iv) die Schneidgruppe hat insgesamt eine leicht konische äußere Gestalt, so dass die abrasiv wirkenden Außenseiten der Schneidstoffköper insgesamt kegelstumpfförmig verlaufen, wobei der wirksame Durchmesser der Schneidgruppe am spindelzugewandten Ende kleiner ist als am spindelfernen Ende.
Feinbearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidstoffkörper als in Umfangsrichtung breite und in Axialrichtung schmale Honsegmente (220-1, 220-2, 220-3) gestaltet sind, wobei eine in Axialrichtung gemessene axiale Länge der Honsegmente kleiner als die in Umfangsrichtung gemessene Breite ist.
Feinbearbeitungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidgruppe mindestens drei Honsegmente (220-1, 220-2, 220-3) aufweist, wobei vorzugsweise drei, vier, fünf oder sechs Honsegmente gleicher oder unterschiedlicher Umfangsbreite vorgesehen sind.
Feinbearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, bei dem die Schneidstoffkörper Schneidkörner mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 35 µm bis 250 µm aufweisen.
Feinbearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bohrung erzeugt wird, die eine Flaschenform, eine konisch-zylindrische Form oder eine konische Form aufweist.