DE10117990C1 - Vorrichtung zur hochgenauen Bearbeitung von Zylinderlaufflächen - Google Patents

Abstract

Zum Feindrehen von Zylinderlaufflächen wird ein mehrschneidiges Werkzeug verwendet, dessen Schneiden auf einem Grundkörper angeordnet sind, welcher mit Hilfe eines Spreizkörpers aufgeweitet werden kann. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, diese Aufweitung mit Hilfe einer in der Werkzeugspindel geführten Zugstange durchzuführen. Die ermöglicht eine vollautomatische Ein- und Nachstellung des Werkzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hochgenauen Bear­ beitung von Zylinderlaufflächen, insbesondere in Brennkraftma­ schinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der gattungsbildenden, nicht vorveröffentlichten DE 199 50 168 A1 ist eine Vorrichtung zur hochgenauen Bearbeitung von Zy­ linderlaufflächen bekannt, in der ein mehrschneidiges Werkzeug zum Einsatz kommt. Die Schneiden des Werkzeugs sind so auf der Außenwand eines topfförmigen Grundkörpers angeordnet, daß alle Schneidkanten denselben Abstand zur Drehachse des Werkzeugs ha­ ben, so daß alle Schneiden gleichzeitig auf die Zylinderlauf­ fläche einwirken. Das Werkzeug ist in einer normalen Drehspin­ del angeordnet und rotiert um eine Achse, die mit der Symmet­ rieachse der zu bearbeitenden Zylinderlauffläche zusammenfällt. Das gleichzeitige Eingreifen der Schneiden, die sich gegensei­ tig auf der zu bearbeitenden Zylinderbohrung abstützen, bewirkt eine Selbstzentrierung des Werkzeugs in dem zu bearbeitenden Hohlzylinder. Dadurch werden Fehler in der zum Antrieb des Werkzeugs verwendeten Drehspindel größtenteils ausgeglichen und eine glättende Wirkung auf die Zylinderfläche erreicht.

Der Grundkörper des Werkzeugs ist mit Hilfe eines konischen Spreizkörpers von innen im plastischen Bereich aufweitbar, wo­ bei alle Schneiden gleichförmig radial gegenüber der Drehachse des Werkzeugs nach außen verschoben werden. Dadurch kann eine Einstellung des Schneidradius des Werkzeugs erfolgen, bei der sichergestellt ist, daß die Schneiden auch nach der Einstellung wieder hochgenau auf einem gemeinsamen Teilkreis liegen und so­ mit gemeinsam auf die zu bearbeitende Zylinderfläche einwirken.

In der Vorrichtung der DE 199 50 168 A1 erfolgt das Aufweiten des Grundkörpers manuell mit Hilfe einer Spannschraube, die an der Frontseite des Werkzeugs angeordnet ist und mittels derer der Spreizkörper in den topfförmigen Innenraum des Grundkörpers hineingetrieben wird. Zum Aufweiten des Grundkörpers muß die Drehspindel angehalten und das Werkzeug in eine Position bewegt werden, in der die Frontseite des Werkzeugs frei zugänglich ist; durch manuelles Anziehen der Spannschraube kann dann das Werkzeug geweitet werden. Das Einstellen des Werkzeugs der DE 199 50 168 A1 ist somit nur durch interaktives Eingreifen eines Werkers möglich und ist nicht automatisierbar.

Aus der DE 36 05 850 C2 ist weiterhin eine Spindel zum Antrei­ ben eines Plandrehkopfes bekannt. Die Spindel ist als Hohlspin­ del ausgebildet, durch deren Innenraum eine Schubstange geführt ist, die den Werkzeugträger des Plandrehkopfes antreibt. Auf der Schubstange sind Steuerungselemente vorgesehen, wobei aus einer Messung der Stellung dieser Steuerungselemente auf die Lage des Werkzeugs rückgeschlossen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Vorrichtung zur Feindrehen von Zylinderlaufflächen dahingehend weiterzuentwickeln, daß die Ein- und Nachstellung des Werkzeugs vollautomatisch erfolgen kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Danach ist die Antriebsspindel der Vorrichtung als Hohlspindel ausgeführt, in deren Innenraum eine Zugstange angeordnet ist. Die Zugstange ist in einer solchen Weise an den Spreizkörper des Werkzeugs angekoppelt, daß der Spreizkörper durch Vorschub der Zugstange gegenüber dem Grundkörper des Werkzeugs verscho­ ben werden kann, wobei der Durchmesser des Grundkörpers aufge­ weitet wird.

Da die zum Aufweiten des Grundkörpers verwendete Zugstange durch die Antriebsspindel hindurch geführt ist, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine vollautomatische Einstellung des Werkzeugdurchmessers: Hierzu erfolgt die Bewegungssteuerung der Zugstange mit Hilfe einer elektronischen Steuereinheit. Mittels einer Kalibrierung kann derjenige Vorschub der Zugstan­ ge ermittelt werden, welcher für eine bestimmte gewünschte Auf­ weitung des Grundkörpers (und somit für eine bestimmte ge­ wünschte Vergrößerung des Schneidradius' des Werkzeugs) benö­ tigt wird. Wird im Rahmen einer Messung festgestellt, daß der momentan eingestellte Bearbeitungsradius des Werkzeugs zu klein ist, so kann aus der Differenz zwischen Soll- und Istwert die benötigte Aufweitung und der hierfür benötigte Vorschub der Zugstange bestimmt werden. Durch Absetzen eines Steuersignal kann dann - ohne jegliches manuelles Einwirken auf den Werk­ zeugkopf - die Zugstange um einen gewünschten Abstand verscho­ ben und dabei die gewünschte Aufweitung des Schneidradius' des Werkzeugs erreicht werden.

Eine vollautomatische (iterative) Bearbeitung von Zylinderlauf­ flächen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann er­ reicht werden, wenn die Steuereinheit der Zugstange an eine Meßeinheit zur Ermittlung der geometrischen Kennwerte der Zy­ linderlauffläche gekoppelt wird (siehe Anspruch 3). Die Meßein­ heit kann z. B. ein berührungsfreies - insbesondere ein opti­ sches - Meßsystem sein, das Meßwerte für den Ist-Durchmesser der bearbeiteten Zylinderlauffläche ermittelt, die Differenz zum Soll-Durchmesser berechnet und diesen Differenzbetrag an die Steuereinheit der Zugstange weiterleitet. In der Steuerein­ heit wird dann der diesem Differenzbetrag entsprechende Zugstangen-Vorschub ermittelt und ausgeführt, wodurch der Schneidradius des Werkzeugs auf das gewünschte Maß aufgeweitet wird; das Werkzeug wird somit vollautomatisch auf einen Schneidradius eingestellt, der dem Soll-Durchmesser der Zylin­ derlauffläche entspricht.

Um eine einfache und reproduzierbare Kalibrierung des Vorschubs der Zugstange zu ermöglichen, erfolgt der Antrieb der Zugstange zweckmäßigerweise mit Hilfe eines Schrittmotors (siehe Anspruch 2). Jeder Einzelschritt dieses Motors entspricht dann einer Vergrößerung des Schneidradius' des Werkzeugs um einen diskreten Wert. Wird ein konischer Spreizkörper verwendet, so be­ stimmt sich die Proportionalitätskonstante zwischen dem Vor­ schub der Zugstange und der Vergrößerung des Schneidradius' aus dem Böschungswinkel des Spreizkörpers.

Zylinderlaufflächen unterliegen extrem hohen Anforderungen be­ züglich der geometrischen Genauigkeit (wenige Mikrometer), wo­ bei die Feinbearbeitung zusätzlich bei hohen Drehzahlen (bis zu 3000/min) und hoher Vorschubgeschwindigkeit (600-800 m/min) erfolgt. Diese Randbedingungen stellen hohe Ansprüche an das Bearbeitungswerkzeug. Um die Bearbeitungsvorrichtung gegenüber Verbiegungen, Vibrationen etc. zu stabilisieren, ist das Werk­ zeug an seiner der Werkzeugspindel zugewandten Seite mit einer Schulter versehen, mittels derer es sich an der Stirnfläche der Hohlspindel abstützt (siehe Anspruch 4). Dadurch entsteht eine sehr kompakte, stabile und somit schwingungsunempfindliche La­ gerung des Werkzeugs.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zei­ gen

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feinbearbeitung einer Zylinderlauf­ fläche, und

Fig. 2 eine axiale Aufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung gemäß einem Schnitt entlang der Linie II -II.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Feinbear­ beitung einer Zylinderlauffläche 2 einer in einen Zylinderblock 3 eingebetteten Zylinderlaufbuchse 4. Die Zylinderlaufbuchse 4 besteht aus einer spraykompaktierten Aluminium-Legierung, in die Silizium-Körnchen eingebettet sind.

Die Vorrichtung 1 umfaßt eine rotierend antreibbare Hoch­ geschwindigkeits-Hohlspindel 5, in die ein Werkzeug 6 zur Fein­ bearbeitung der Zylinderlauffläche 2 eingespannt ist. Das Werk­ zeug 6 ist an seiner der Hohlspindel 5 zugewandten Seite mit einer Schulter 7 versehen, mittels derer sich das Werkzeug 6 flächig an der Stirnfläche 8 der Hohlspindel 5 abstützt. Das Werkzeug 6 weist einen topfförmigen Grundkörper 9 auf, an des­ sen Außenwand 10 im Bereich des dem Zylinderblock 3 zugewandten Randes 11 sechs Schneidplatten 12 befestigt sind. Im vorliegen­ den Ausführungsbeispiel bestehen die Schneidplatten 12 aus po­ lykristallinem Diamant und sind an der Außenwand 10 des Grund­ körpers 9 eingelötet. Allgemein kann eine beliebige Zahl von Schneidplatten 12 aus geeigneten Werkstoffen verwendet werden, die vorzugsweise äquidistant entlang des Umfangs der Außenwand 10 des Grundkörpers 9 angeordnet sind. Wie aus Fig. 2 ersicht­ lich, bilden die Außenschneidkanten 13 der Schneidplatten 12 ein näherungsweise gleichseitiges Sechseck; die Abstände der Außenschneidkanten 13 von der Symmetrieachse 14 des Werkzeugs 6 sind für alle Schneidplatten 12 gleich, so daß alle Außen­ schneidkanten 13 auf einem gemeinsamen Teilkreis 15 mit Radius 27 gegenüber der Symmetrieachse 14 angeordnet sind.

Im Inneren der Hohlspindel 5 ist eine axial bewegliche Zugstan­ ge 16 angeordnet, die sich gemeinsam mit der Hohlspindel 5 dreht. Die Zugstange 16 ist an einen Schrittmotor 17 gekoppelt, mittels dessen die Zugstange 16 entlang der Symmetrieachse 14 verschoben werden kann. Zur Steuerung des Schrittmotors 17 ist eine elektronische Steuereinheit 18 vorgesehen, welche Teil der Steuereinheit der Bearbeitungsvorrichtung 1 sein kann.

Das werkstückzugewandte Ende 19 der Zugstange 16 durchragt eine Ausnehmung 20 des Grundkörpers 9 und ist an einen Spreizkörper 21 angebunden, der im Innenbereich 22 des topfförmigen Grund­ körpers 9 angeordnet ist. Ein Kontaktbereich 23 auf dem Spreiz­ körper 21, im Bereich dessen der Spreizkörper 21 den Grundkör­ per 9 berührt, ist konusförmig ausgestaltet, so daß der Kon­ taktbereich 23 des Spreizkörpers 21 einen kleinen Winkel θ mit der Innenwand 24 des Grundkörpers 9 einschließt. Wird die Zugstange 16 nun mit Hilfe des Schrittmotors 17 vom Werkzeug 6 weg verschoben (Richtung des Pfeils 25 in Fig. 1), so zieht die Zugstange 16 den Spreizkörper 21 in das Innere 22 des Grundkörpers 9. Dadurch wird der Kontaktbereich 23 des Spreiz­ körpers 21 gegen die Innenwand 24 des Grundkörpers 9 gedrückt; er übt dabei eine Dehnung auf die Wände 26 des Grundkörpers 9 aus und drückt somit die Schneidplatten 12 radial nach außen. Eine Verschiebung der Zugstange 16 um den Wert Z hat dabei eine radiale Aufweitung A = Z/tan θ des Grundkörpers 9 zur Folge. Mittels der Zugstange 16 kann auf diese Weise der Radius 27 des Teilkreises 15 der Außenschneidkanten 13 in Einzelschritten von 1 µm bis 2 µm um insgesamt etwa 30 µm bis 40 µm vergrößert werden. Diese Dehnung der Wände 26 des Grundkörpers 9 ist weit­ gehend irreversibel, so daß bei Wegfall der Zugkraft auf die Zugstange 16 nur eine vernachlässigbar geringe Verkleinerung des Teilkreisradius 27 eintritt.

Vor der Feinbearbeitung trägt der Innenradius 28 der Zylinder­ laufbuchse 4 typischerweise ein Aufmaß von wenigen Zehntel Mil­ limeter gegenüber dem Sollmaß. Dieses Aufmaß soll nun im letz­ ten Bearbeitungsschritt entfernt werden. Das hierzu verwendete Werkzeug 6 ist so dimensioniert, daß der Abstand 27 der Außen­ schneidkanten 13 von der Werkzeugachse 14 geringer sind als der auf der Zylinderlaufbuchse 4 zu erzeugende Sollradius der Zy­ linderlauffläche 2, wobei der Abstand 27 der Außenschneidkanten 13 zur Werkzeugachse 14 aber durch ein - oben beschriebenes - Verschieben der Zugstange 16 mindestens so weit vergrößert wer­ den kann, daß er dem Sollradius der Zylinderlauffläche 2 ent­ spricht. Der Istwert des Innenradius 28 der Zylinderlaufbuchse 4 beträgt typischerweise etwa 39.7 mm und soll auf einen Soll­ wert von 40.00 mm erhöht werden. Hierzu hat das Werkzeug 6 ty­ pischerweise einen Teilkreisradius 27 von 39.98 mm, der mit Hilfe der Zugstange 16 bis auf einen Wert von 40.01 mm gedehnt werden kann.

Für den ersten Prozeßschritt im Zuge der Feinbearbeitung ragt das werkstückzugewandte Ende 19 der die Zugstange 16 so weit in das Innere 22 des Grundkörpers 9 hinein, daß die Wände 26 des Grundkörpers 9 nur unwesentlich gedehnt sind, die Innenwände 24 aber umlaufend gleichmäßig auf dem Kontaktbereich 23 des Spreizkörpers 21 anliegen; in diesem Dehnungszustand ist der Radius 27 des Teilkreises 15, auf dem sich die Außenschneidkan­ ten 13 befinden, geringer als (oder höchstens gleich groß wie) der Sollradius der Zylinderlauffläche 2. Die Vorrichtung 1 wird so gegenüber dem Zylinderblock 3 ausgerichtet, daß die Symme­ trieachse 14 des Werkzeugs 6 mit der Soll-Symmetrieachse der Zylinderlauffläche 2 übereinstimmt. Wird nun das rotierende Werkzeug 6 in die Zylinderlaufbuchse 4 hineinbewegt, so erfolgt einerseits eine schneidende Bearbeitung der Buchsenoberfläche 2 durch die Stirnschneiden 28 der Schneidplatten 12, andererseits eine schälende Bearbeitung durch die Außenschneidkanten 13 der Schneidplatten 12. Hierbei sind alle sechs Schneidplatten 12 gleichzeitig im Einsatz. Die näherungsweise äquidistante Ver­ teilung der Schneidplatten 12 auf dem Teilkreis 15 stellt si­ cher, daß sich die Schneidplatten 12 im Inneren der Zylinder­ laufbuchse 4 gegenseitig abstützen, so daß bei der Bearbeitung eine hochgenaue, glatte Zylinderfläche erzeugt wird: Die als Begleiterscheinung dieses Feindrehens entstehenden Welligkeiten haben eine sehr geringe Amplitude von wenigen Mikrometern und Wellenlängen in der Größenordnung des Durchmessers der Lauf­ buchse 4. Durch die gegenseitige Abstützung und den dadurch entstehenden Gleiteffekt der Schneidplatten 12 wird nur ein sehr geringer Anteil der in der Zylinderlaufbuchse 4 eingebet­ teten Silizium-Körnchen aus der Aluminium-Matrix herausgeris­ sen, so daß eine hochgenaue Zylinderlauffläche 2 mit qualitativ hochwertiger Oberfläche entsteht.

Nach diesem ersten Prozeßschritt wird der dabei erzeugte Radius 28 der Zylinderlaufbuchse 2 gemessen und mit dem Sollwert ver­ glichen. Hierzu wird beispielsweise eine berührungslose (z. B. optische) Meßeinheit 29 eingesetzt, die an die Steuereinheit 18 der Zugstange 16 angebunden ist. Aus der Differenz Δ zwischen Meßwert und Sollwert des Radius 28 der Zylinderlauffläche 2 wird in der Steuereinheit 18 der Zugstange 16 ein Zugstangen­ vorschub Z ermittelt (gemäß Z = Δ/tan Δ) und in eine Schritt­ zahl des Schrittmotors 17 übersetzt. Die Zugstange 16 wird um diese berechnete Schrittzahl verschoben, wodurch die Schneid­ platten 12 des Werkzeugs 6 um die Differenz A nach außen ge­ drückt werden. Mit diesem aufgeweiteten Werkzeug 6 wird nun ein weiterer Feinbearbeitungsschritt an der Zylinderlaufbuchse 4 durchgeführt, durch den die Zylinderlauffläche 2 nun den ge­ wünschten Sollradius erhält.

Alternativ zum hier beschriebenen einstufigen Verfahren kann die Aufweitung des Werkzeugs 6 iterativ in mehreren Schritten erfolgen. Mit Hilfe dieses aufgeweiteten Werkzeugs 6, dessen Teilkreisradius 27 genau dem gewünschten Sollradius entspricht, kann nun eine gesamte Charge von Laufbuchsen in jeweils einem einzigen Prozeßschritt bearbeitet werden. Dabei werden zweckmä­ ßigerweise in regelmäßigen Abständen mit Hilfe der Meßeinheit 29 Kontrollmessungen des erzeugten Radius der Zylinderlaufbuchse durchgeführt, um bei Verschleiß der Schneidplatten 12 den Werk­ zeugradius schnell nachjustieren zu können.

Das hier beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann zur Bearbeitung von Zylinderlaufbuchsen aus beliebigen Werkstoffen verwendet werden.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur hochgenauen Bearbeitung von Zylinderlaufflä­ chen, insbesondere in Brennkraftmaschinen, wobei die Vor­ richtung ein mehrschneidiges Werkzeug zum Feindrehen umfaßt,
das mittels einer Werkzeugspindel antreibbar ist,
und dessen Drehachse zumindest näherungsweise mit der Symmetrieachse der zu bearbeitenden Zylinderlauffläche zusammenfällt,
wobei die Schneiden des Werkzeugs auf der Außenwand eines topfförmigen Grundkörpers angeordnet sind, dessen Außen­ durchmesser durch einen Spreizkörper aufweitbar ist,
und wobei alle Schneidkanten denselben Abstand zur Dreh­ achse des Werkzeugs haben,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spindel zum Antreiben des Werkzeugs (6) als Hohl­ spindel (5) ausgestaltet ist,
durch deren Innenraum eine an den Spreizkörper (21) ge­ koppelte Zugstange (16) geführt ist, mittels derer die Aufweitung des Grundkörpers (9) erfolgt,
und daß zur Bewegungssteuerung der Zugstange (16) eine e­ lektronische Steuereinheit (18) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugstange (16) mit Hilfe eines Schrittmotors (17) betätigbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinheit (18) der Zugstange (16) an eine Meßeinheit (29) zur Ermittlung geometrischer Kenn­ werte der zu bearbeitenden Zylinderlauffläche (2) gekoppelt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (6) an seiner der Werkzeugspindel (5) zuge­ wandten Seite mit einer Schulter (7) versehen ist, mittels derer sich das Werkzeug (6) an der Stirnfläche (8) der Hohl­ spindel (5) abstützt.