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Die Erfindung betrifft ein Rotations-Werkzeug zur Erzeugung eines Honfreigangs in einer Zylinderbohrung eines Werkstückes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Erzeugung des Honfreigangs nach dem Anspruch 8 und ein Werkstück nach Anspruch 9.
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Die Zylinder-Laufbahn in einem Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse eines Kraftfahrzeugs kann in einer Prozesskette hergestellt werden, bei der zunächst in einem Anlieferungszustand das Zylinderkurbelgehäuse mit einer zum Beispiel konischen Vorbohrung bereitgestellt wird. In einem Aufbohr-Schritt wird die Vorbohrung zu der durchmessergrößeren Zylinderbohrung aufgebohrt. Anschließend erfolgt ein Zirkularfräs-Schritt, bei dem am Bohrungsgrund ein Honfreigang erzeugt wird. Danach wird in einem Aufrau-Schritt die Innenwandung der Zylinderbohrung mittels eines Aufrau-Werkzeuges mechanisch aufgeraut. Im Aufrau-Schritt bildet der Honfreigang einen Werkzeugauslauf, in den das Aufrau-Werkzeug bis zu einem Umkehrpunkt einfahrbar ist, dort in einer Radialrichtung freigefahren wird und anschließend in einer Reversierrichtung belastungsfrei sowie außer Eingriff mit der Aufraustruktur aus der Zylinderbohrung herausgeführt wird. Anschließend kann eine APS-Beschichtung erfolgen, bei der mittels eines Brenners ein aufgeschmolzenes APS-Beschichtungsmaterial auf die Innenwandung der Zylinderbohrung aufgeschleudert wird. Der Brenner nutzt den Honfreigang ebenfalls als Werkzeugauslauf, in den der Brenner einfahrbar ist und an einem Umkehrpunkt in Reversierrichtung wieder reversiert wird. Nach dem Aushärten der aufgeschleuderten APS-Schicht erfolgt eine Honbearbeitung der APS-Schicht, und zwar unter Bildung der Zylinderlaufbahn in der Zylinderbohrung.
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Aus prozesstechnischer Sicht ergeben sich die folgenden Erfordernisse an die Geometrie des Honfreigangs: Erstens ist der Honfreigang als eine ringförmige Umlaufnut in einer Innenwandung der Zylinderbohrung auszubilden, und zwar mit einem im Querschnitt in etwa halbkreisförmigen oder ellipsenförmigen Rundprofil. Ein radial äußerer Nutboden der ringförmigen Umlaufnut liegt auf einem Durchmesser, der größer als der der Zylinderbohrungs-durchmesser ist. Zweitens ist der Honfreigang nicht glattflächig, sondern vielmehr mit einer gewissen Oberflächenrauigkeit (zum Beispiel Rz100) auszubilden. Bei einem glattflächigen Honfreigang besteht nämlich während der APS-Beschichtung das Prozessrisiko, dass Partikel des APS-Beschichtungsmaterials von der glatten Oberfläche des Honfreigangs abprallen und - unter Bildung von Fehlstellen - wieder in die Zylinderbohrung zurückgeschleudert werden. Durch Bereitstellung der Oberflächenrauigkeit prallen die Partikel des APS-Beschichtungsmaterials nicht mehr vom Honfreigang ab, sondern bleiben vielmehr daran haften.
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Bei einer gattungsgemäßen Erzeugung eines solchen Honfreigangs in der Zylinderbohrung erfolgt zunächst vorbereitend ein prozesstechnisch vorgelagerter Aufbohr-Schritt mittels eines Aufbohr-Werkzeugs, das die Vorbohrung bis auf die durchmessergrößere Zylinderbohrung aufbohrt. Anschließend erfolgt der Zirkularfräs-Schritt mittels eines Fräswerkzeugs. Das Fräswerkzeug wird hierzu zunächst bis zum Bohrungsgrund der Zylinderbohrung belastungsfrei abgesenkt und anschließend (unter Rotation um die Werkzeugdrehachse) radial ausgesteuert sowie in einer Kreisbahn um die Zylinderbohrungsachse geführt, wodurch sich der Honfreigang bildet.
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Zur Erzeugung des oben definierten Honfreigangs weist ein konventionelles Fräswerkzeug mehrere, in Werkzeug-Umfangsrichtung voneinander beabstandete Schneidelemente auf. Jedes Schneidelement ist mit einer radial nach außen gewölbten, in etwa halbkreisförmigen (oder ellipsenförmigen) Rundprofil-Schneide ausgebildet, die das Honfreigang-Rundprofil definiert.
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Zur Erzeugung der Oberflächenrauigkeit im Honfreigang sind an der Rundprofil-Schneide zackenförmige Schneidenecken ausgebildet, die radial nach außen abragen. Mittels der Schneidenecken werden im Zirkularfräs-Schritt Unebenheiten im Honfreigang erzeugt, die die Oberflächenrauigkeit bilden.
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Die Bereitstellung von sowohl einem Aufbohr-Werkzeugs als auch einem Fräswerkzeug führt zu einem hohen Werkzeugaufwand und einer damit verbundenen langen Prozessdauer.
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Aus der
DE 10 23 687 A1 ist ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken bekannt. Aus der
WO 2009/026932 A1 ist ein Aufbohrwerkzeug bekannt. Aus der
DE 693 14 227 T2 ist ein Verfahren zum Bearbeiten von Verbundwerkstoffen bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Rotations-Werkzeug sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines Honfreigangs in einer Werkstück-Zylinderbohrung bereitzustellen, die einen im Vergleich zum Stand der Technik reduzierten Werkzeugaufwand mit damit verbundener reduzierter Prozessdauer ermöglichen.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, 8 oder 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein alleine auf den Zirkularfräs-Schritt ausgelegtes, konventionelles Fräswerkzeug nicht prozesssicher für den Aufbohr-Schritt einsetzbar ist, in dem das rotierende Werkzeug koaxial zur Bohrungsachse bis zum Bohrungsgrund der Zylinderbohrung abgesenkt wird. Aufgrund der Rundprofil-Schneiden des Fräswerkzeugs werden nämlich beim Aufbohr-Schritt zwangsläufig schräggestellte Kraftkomponenten in das Fräswerkzeug eingeleitet. Diese schräggestellten Kraftkomponenten führen zu einem Werkzeug-Aufschwingen, bei dem das Werkzeug radial aus seiner Rotationsachse ausgelenkt wird. Dadurch können sich Rattermarken an der Zylinderbohrungs-Innenwandung und/oder ein Werkzeugbruch ergeben.
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Vor diesem Hintergrund ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 das Rotations-Werkzeug sowohl für den Aufbohr-Schritt als auch für den Zirkularfräs-Schritt ausgelegt. Das Rotations-Werkzeug wird im Aufbohr-Schritt unter Rotation sowie spanender Belastung bis zum Erreichen der Sollbohrtiefe (des Bohrungsgrundes) eingetrieben, und zwar mit zur Bohrungsachse koaxialer Werkzeug-Rotationsrichtung.
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Um ein betriebssicheres Aufbohren zu gewährleisten, ist die (in erster Linie für das Zirkularfräsen ausgelegte) Rundprofil-Schneide des Schneidelements geometrisch wie folgt realisiert: So laufen an der zumindest einen Schneidenecke (erzeugt die Oberflächenrauigkeit im Honfreigang) der Rundprofil-Schneide eine zur Werkzeug-Rotationsachse genau achsparallele Längsschneidkante und eine stirnseitige Querschneidkante zusammen, die annährend bzw. im Wesentlichen rechtwinklig zur Werkzeug-Rotationsachse verläuft.
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Durch diese Schneidenecke-Geometrie ist beim Aufbohrvorgang (das heißt beim Absenken des Rotations-Werkzeugs bis zum Zylinderbohrungsgrund) gewährleistet, dass die achsparallele Längsschneidkante in Linienkontakt mit der Zylinderbohrungs-Innenwandung ist. Dadurch ist ein radiales Abstützen des Rotations-Werkzeugs an der Zylinderbohrungs-Innenwandung ermöglicht. Demgegenüber erfolgt an der stirnseitigen Querschneidkante im Aufbohrprozess ein spanender Materialabtrag. Beim anschließenden Zirkularfräs-Schritt ist dagegen die Querschneidkante im Wesentlichen funktionslos, während an der Längsschneidkante ein spanender Materialabtrag erfolgt.
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Bei der obigen Schneidenecke-Geometrie spannen die Längsschneidkante und die stirnseitige Querschneidkante an der Schneidenecke einen Schneidenwinkel von im Wesentlichen 90° auf.
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Damit beim Aufbohr-Schritt die Abstützfunktion der Längsschneidkante verstärkt wird, ist es von Vorteil, wenn die Längsschneidkante, im Gegensatz zur Querschneidkante, nicht scharfkantig realisiert ist, sondern vielmehr mit einer minimalen Rundschlifffase. Die Rundschlifffase wirkt beim Aufbohrvorgang als Radialanschlag, der ein übermäßig großes radiales Auslenken des Rotations-Werkzeugs in das Werkstückmaterial unterbindet. Es ist von Bedeutung, dass das die Rundschlifffase an der Längsschneidkante einen ausreichend kleinen Rundungsradius aufweist, damit während des Zirkularfräs-Schrittes an der Längsschneidkante ein ausreichender spanender Materialabtrag ermöglicht ist.
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In einer technischen Umsetzung kann die Schneidenecke mit einem Axialabstand von der Werkzeugspitze beabstandet sein und auf einem Schneidenecken-Durchmesser liegen. Sowohl die Axialabstände als auch die Schneidenecken-Durchmesser der axial hintereinander liegenden Schneidenecken werden in Richtung auf die Werkzeugspitze sukzessive kleiner. Die axial hintereinander angeordneten Schneidenecken bilden daher ein Stufenprofil, bestehend aus achsparallelen Längsschneidkanten und annähernd rechtwinklig zur Werkzeug-Rotationsachse verlaufenden Querschneidkanten.
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In dem obigen Stufenprofil kann die Querschneidkante einer ersten Schneidenecke im Schneidenkontur-Verlauf in Richtung auf die Werkzeugspitze an einem Inneneckbereich direkt in eine Längsschneidkante einer folgenden Schneidenecke übergehen. Alternativ dazu kann die Querschneidkante einer ersten Schneidenecke im Schneidenkontur-Verlauf in Richtung auf die Werkzeugspitze nicht direkt, sondern indirekt unter Zwischenlage eines schräggestellten Schneidengrundes in die Längsschneidkante der folgenden Schneidenecke übergehen. Es ist hervorzuheben, dass im Aufbohr-Schritt und im Zirkularfräs-Schritt nur die Schneidenecken in Spaneingriff sind, während ein Schneidengrund außer Spanneingriff ist. Dadurch ist vermieden, dass im Aufbohr-Schritt schräggestellte Kraftkomponenten auf das Rotations-Werkzeug einwirken.
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Im Hinblick auf eine betriebssichere Erzeugung des Honfreigangs kann das Rotations-Werkzeug zumindest zwei, insbesondere sieben Schneidelemente aufweisen, mit deren Hilfe im Zirkularfräs-Schritt der Honfreigang gefräst wird. Die Schneidelemente sind in der Werkzeug-Umfangsrichtung gleichmäßig umfangsverteilt angeordnet. Von besonderer Bedeutung ist es, dass die an den jeweiligen Schneidelementen ausgebildeten Schneidenecken in der Umfangsrichtung nicht in Flucht hintereinander ausgebildet sind, sondern vielmehr um einen Axialversatz zueinander versetzt angeordnet sind. Der Axialversatz zwischen den Schneidenecken unterschiedlicher Schneidelemente kann so bemessen sein, dass die Schneidenecken sämtlicher Schneidelemente auf einer gemeinsamen, gedachten Kreislinie liegen, die der Innenkontur des Rundprofils des Honfreigangs entspricht.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 einen Ausschnitt aus einem Zylinderkurbelgehäuse mit einer Zylinderbohrung, an deren Bohrungsgrund ein Honfreigang ausgebildet ist;
- 2 in vergrößerter Teilansicht ein halbkreisförmiges Rundprofil des Honfreigangs mit mechanisch eingearbeiteten Oberflächenunebenheiten, die die Oberflächenrauigkeit bilden;
- 3 und 4 unterschiedliche Ansichten auf ein Rotations-Werkzeug;
- 5 in vergrößerter Darstellung den Konturverlauf einer Rundprofil-Schneide eines Schneidelements des Rotations-Werkzeugs;
- 6 ein Ersatzbild, in dem die Konturverläufe der Rundprofil-Schneiden sämtlicher sieben Schneidelemente des Rotations-Werkzeugs jeweils linienförmig dargestellt sind; und
- 7 bis 9 jeweils Ansichten, die den Aufbohr-Schritt und den Zirkularfräs-Schritt veranschaulichen.
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In der 1 ist ein Ausschnitt aus einem Zylinderkurbelgehäuse 1 mit einer Zylinderbohrung 3 gezeigt. Die Zylinderbohrung 3 weist einen um die Bohrungsachse B rotationssymmetrischen Honfreigang 5 auf, der in einer Bohrungstiefe tB an einem Bohrungsgrund 7 der Zylinderbohrung 3 ausgebildet ist. Der Honfreigang 5 ist als eine ringförmige Umlaufnut mit einem radial äußeren Nutboden in einer Innenwandung der Zylinderbohrung 3 ausgebildet. Der Nutbodendurchmesser dN des Honfreigangs 5 ist größer bemessen als der Durchmesser dz der Zylinderbohrung 3. Wie aus der 2 weiter hervorgeht, weist der Honfreigang 5 im Querschnitt ein in etwa halbkreisförmiges oder ellipsenförmiges Rundprofil mit einer vordefinierten Oberflächenrauigkeit Rz auf, die in einem später beschriebenen Zirkularfräs-Schritt ( 7) in den Honfreigang 5 mechanisch eingebracht wird.
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In der 2 ist an der, dem Bohrungsgrund 7 zugewandten Honfreigang-Seite 6 die Oberflächenrauigkeit Rz mittels eines Stufenprofils realisiert. An jeder Stufe 8 des Stufenprofils läuft eine umlaufende, zur Bohrungsachse B achsparallele Stufenfläche 10 mit einer umlaufenden, im Wesentlichen rechtwinklig zur Bohrungsachse B ausgerichtete Stufenfläche 12 zusammen. Die Stufenflächen 10, 12 spannen einen im Wesentlichen rechtwinkligen Stufenwinkel auf.
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Der Honfreigang 5 wird mittels eines in der 3 gezeigten Rotations-Werkzeugs (Senk-/Fräswerkzeug) erzeugt. Das Werkzeug weist einen, an einer gestrichelt angedeuteten Maschinenspindel 9 befestigbaren Werkzeugschaft 11 auf, der an der Werkzeugspitze 13 insgesamt sieben gleichmäßig umfangsverteilte Schneidelemente S1 bis S7 trägt. Jedes der Schneidelemente S1 bis S7 weist eine radial nach außen gewölbte, halbkreisförmige Rundprofil-Schneide 15 auf. Deren Schneiden-Konturen sind später anhand der 5 und 6 beschrieben. An jeder Rundprofil-Schneide 15 laufen in der 4 eine in Rotationsrichtung vorauseilende Spanfläche 17, die einen Spanraum 19 begrenzt, und eine nacheilende Freifläche 21 zusammen.
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Die Rundprofil-Schneide 15 ist in der 5 mit einer in einer Senkrichtung I (7) nacheilenden Schneidenflanke 23 ausgebildet, die an einem radial äußeren, durchmessergroßen Schneiden-Scheitel 24 in eine, in der Senkrichtung I vorauseilende Schneidenflanke 25 übergeht. In der vorauseilenden Schneidenflanke 25 sind in der 5 beispielhaft die Schneidenecken E1 bis E5 ausgebildet, die von einem Schneidengrund 27 radial nach außen abragen. Mittels der Schneidenecken E1 bis E5 werden beim Zirkularfräs-Schritt (9) die Oberflächenrauigkeit Rz im Honfreigang 5 erzeugt.
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Wie aus der 5 weiter hervorgeht, bilden die Schneidenecken E1 bis E5 der dargestellten Rundprofil-Schneide S1 zusammen ein Stufenprofil, bei dem jede Schneidenecke E1 bis E5 jeweils mit einer Längsschneidkante 29 und einer Querschneidkante 31 ausgebildet ist. Die Längsschneidkante 29 verläuft (durchgehend konstant sowie unterbrechungsfrei) achsparallel zur Werkzeug-Rotationsachse R. Die Querschneidkante 31 verläuft im Wesentlichen rechtwinklig zur Werkzeug-Rotationsachse R. Die Schneidenecken E1 bis E5 sind dabei in unterschiedlichen Axialabständen a1 bis a5 von der Werkzeug-Spitze 13 beabstandet. Zudem sind die Schneidenecken E1 bis E5 mit unterschiedlichen Schneidenecken-Durchmessern d1 bis ds von der Werkzeug-Rotationsachse R beabstandet. Die Abstände a1 bis a5 sowie die Durchmesser d1 bis ds werden in der genannten Reihenfolge E1 bis E5 sukzessive kleiner, wodurch sich das oben genannte Stufenprofil ergibt.
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In gleicher Weise wie die obige Rundprofil-Schneide S1 sind auch die weiteren Rundprofil-Schneiden S2 bis S7 ausgebildet. Wie aus dem Ersatzbild der 5 hervorgeht, sind die an sämtlichen Schneidelementen S1 bis S7 ausgebildeten Schneidenecken E1 bis E5 in der Werkzeug-Umfangsrichtung nicht in Flucht hintereinander angeordnet, sondern vielmehr um Axialversätze Δa zueinander versetzt angeordnet. Die Schneidenecken E1 bis E5 sämtlicher Schneidelemente S1 bis S7 liegen dabei auf einer gemeinsamen, gedachten Kreislinie 37, deren Durchmesser identisch ist mit dem Durchmesser des Honfreigang-Rundprofils ist. In der 5 ist außerdem ein Schneidenwinkel α eingezeichnet, der an einer Schneidenecke zwischen der Längsschneidkante 29 und der Querschneidkante 31 aufgespannt ist. Der Schneidenwinkel α liegt in der 5 bei annähernd genau 90°. Zudem geht in der 5 die Querschneidkante 31 einer Schneidenecke an einem Inneneckbereich 35 nicht direkt in die Längsschneidkante 31 einer folgenden Schneidenecke über, sondern indirekt unter Zwischenordnung eines schräggestellten Schneidengrunds 27. Der schräggestellte Schneidengrund 27 ist im Aufbohr-Schritt (8) nicht in Spaneingriff mit dem Werkstück-Material, um zu vermeiden, dass schräggestellte Kraftkomponenten in das Werkzeug eingeleitet werden.
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Wie oben erwähnt sind in der 5 die Schneidenecken E1 bis E5 sämtlicher Schneidelemente S1 bis S7 entlang der Werkzeug-Rotationsachse R um Axialversätze Δa zueinander versetzt. Dadurch summieren sich die Kantenlängen aller Längsschneidkanten 29 in Axialrichtung auf, wodurch sich im Aufbohr-Schritt eine stabile radiale Werkzeug-Abstützung ergibt.
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Nachfolgend ist anhand der 7 bis 9 eine Prozessabfolge zur Herstellung des Honfreigangs 5 in der Zylinderbohrung 3 beschrieben: Demzufolge wird zunächst das Zylinderkurbelgehäuse 1 mit einer teilweise konischen Vorbohrung 33 bereitgestellt (7). Anschließend erfolgt der Aufbohr-Schritt, bei dem das Rotations-Werkzeug in der Senkrichtung I bis zum Erreichen der Sollbohrtiefe tB in die Vorbohrung 33 eingefahren wird, und zwar mit einer zur Bohrungsachse B koaxialen Werkzeug-Rotationsachse R. Beim Aufbohr-Schritt sind die rechtwinklig zur Werkzeug-Rotationsachse R verlaufenden Querschneidkanten 31 der Schneidenecken E1 bis E5 sämtlicher Rundprofil-Schneiden 15 in Spaneingriff mit der Innenwandung der Vorbohrung 33. Die Längsschneidkanten 29 sämtlicher Schneidenecken E1 bis E5 sind dagegen in Linienkontakt mit der aufgebohrten Innenwandung der Zylinderbohrung 3, wodurch während des Aufbohr-Schritts eine radiale Abstützung des Rotations-Werkzeuges gewährleistet ist. Um die radiale Abstützung weiter zu verstärken, sind die Längsschneidkanten 29 sämtlicher Schneidenecken E1 bis E5 im Vergleich zu den Querschneidkanten 31 nicht scharfkantig realisiert, sondern vielmehr als mit einer Rundschlifffase, die ein radiales Auslenken des Rotations-Bohrwerkzeugs in das Werkstück-Material hinein weiter reduziert.
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Nach dem Aufbohr-Schritt erfolgt der Zirkularfräs-Schritt (9), bei dem das Rotations-Werkzeug um einen Radialversatz Δr radial ausgesteuert wird und in einer Kreisbahn um die Bohrungsachse B geführt wird, und zwar unter Bildung des Honfreigangs 5.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkurbelgehäuse
- 3
- Zylinderbohrung
- 5
- Honfreigang
- 6
- dem Bohrungsgrund 7 zugewandten Honfreigang-Seite
- 7
- Bohrungsgrund
- 8
- Honfreigang-Stufe
- 9
- Maschinenspindel
- 10
- umlaufende Stufenfläche
- 11
- Werkzeugschaft
- 12
- umlaufende Stufenfläche
- 13
- Werkzeugspitze
- 15
- Rundprofil-Schneide
- 17
- Spanfläche
- 19
- Spanraum
- 21
- Freifläche
- 23
- Werkzeugschaft-Rundflanke
- 24
- radial äußerer Schneiden-Scheitel
- 25
- Werkzeugspitze-Rundflanke
- 27
- Schneidengrund
- 29
- Längsschneidkante
- 31
- Querschneidkante
- 33
- Vorbohrung
- 35
- Inneneckbereich
- 37
- Kreislinie
- E1 bis
- E5 Schneidenecken
- S1 bis
- S7 Schneidelemente
- Δa
- Axialversatz
- a1 bis a5
- Axialabstände
- d1 bis d5
- Schneidenecken-Durchmesser
- dz
- Zylinderbohrungs-Durchmesser
- dN
- Nutbodendurchmesser des Honfreigangs 5
- tB
- Bohrtiefe
- B
- Zylinderbohrungsachse
- R
- Werkzeug-Rotationsachse
- α
- Schneidenwinkel
- Δr
- Radialversatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1023687 A1 [0008]
- WO 2009/026932 A1 [0008]
- DE 69314227 T2 [0008]
