DE102006002523B4

DE102006002523B4 - Verfahren zum Feinbearbeiten einer Zylinderbohrung für einen Motorblock sowie Deformationseinrichtung hierfür

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Publication number: DE102006002523B4
Application number: DE200610002523
Authority: DE
Original assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Current assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2026-01-13
Also published as: DE102006002523A1

Abstract

Verfahren zum Feinbearbeiten einer Zylinderbohrung (5) für einen Motorblock (4), insbesondere zum Honen einer Zylinderbohrung in einer Zylinderlaufbuchse (40) oder einer in einem Motorblock (4) eingebrachten Zylinderbohrung (5), bei dem ein Feinbearbeitungswerkzeug innerhalb der Zylinderbohrung (5) axial beweglich und um seine Werkzeugachse rotierend angetrieben wird und eine an dem Feinbearbeitungswerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung einer Innenfläche der Zylinderbohrung (5) mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt wird und während des Feinbearbeitungsvorgangs eine Deformationskraft in das die Zylinderbohrung enthaltende Werkstück eingeleitet wird, um eine elastische Deformation der Zylinderbohrung (5) und somit eine vorgebbare, zumindest abschnittsweise Veränderung einer Geometrie der Zylinderbohrung (5) für die Bearbeitung hervorzurufen, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Deformationskraft eine Hauptkraftkomponente aufweist, die in radialer Richtung orthogonal zu einer Mittelachse (6) der Zylinderbohrung (5) ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feinbearbeiten einer Zylinderbohrung für einen Motorblock, insbesondere zum Honen einer Zylinderbohrung in einer Zylinderlaufbuchse oder einer in einem Motorblock eingebrachten Zylinderbohrung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Deformationseinrichtung, die besonders zur Durchführung des Verfahrens geeignet und ausgestaltet ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9.
Bei der Herstellung von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen oder bei der Herstellung von Zylinderlaufbuchsen für derartige Motorblöcke werden die jeweils vorgesehenen Zylinderbohrungen üblicherweise durch ein Honverfahren endbearbeitet. Mit Hilfe des Honverfahrens kann eine zumindest nahezu vollständig zylindrische Zylinderbohrung erzeugt werden. Die zylindrische Zylinderbohrung wird jedoch bereits bei der Montage und erst recht im Betrieb der mit dem bearbeiteten Motorblock aufgebauten Brennkraftmaschine durch statische, dynamische und thermische Kräfte deformiert, so dass im Betrieb der Brennkraftmaschine eine Abweichung von der idealen Zylinderform der Zylinderbohrung auftritt. Beispielsweise ist es bekannt, dass die Montage des Zylinderkopfes auf einem Motorblock zu einer nicht zu vernachlässigenden statischen Deformation der Zylinderbohrungen vor allem im Bereich der Zylinderkopfschrauben führen kann. Während des Betriebes der Brennkraftmaschine sollten jedoch Kolbenringe, die an beweglich in den Zylinderbohrungen aufgenommenen Kolben angebracht sind und die für eine Abdichtung zwischen Kolben und Zylinderbohrung vorgesehen sind, die durch die statischen, dynamischen und thermischen Deformationen verzogene Zylinderbohrung so ausfüllen, dass eine saubere Abdichtung des Brennraumes im Motorenbetrieb gewährleistet ist. Eine vollständige Anlage der Kolbenringe an der Zylinderbohrung mit einem möglichst gleichmäßigen und geringen Spiel zwischen Kolbenring und Zylinderbohrung wird erleichtert, wenn der montierte und betriebswarme Motor Zylinderbohrungen mit einem geringem Zylinderformfehler besitzt. Bei zu großen Werten des Zylinderformfehlers ist die saubere Abdichtung durch die Kolbenringe nicht mehr gewährleistet, der Partikelausstoß des Motors steigt, der Wirkungsgrad vermindert sich, und die Lebensdauer des Systems kann sich verkürzen.
Um diesen unerwünschten Effekten entgegenzuwirken, sollte bei der Honbearbeitung von Zylinderbohrungen eine Form der Zylinderbohrung erzeugt werden, die im montierten und betriebswarmen Zustand der Brennkraftmaschine zu einem minimalen Fehler in der Zylinderform (Zylindrizitätsfehler) führt. Zum Erreichen dieses Fertigungszieles einer „einsatzoptimalen Bohrungsgeometrie” sollte die Negativform des Fehlers, der durch die während der Montage und während des Betriebes erzeugten Deformationen, insbesondere durch den statischen und den thermischen Verzug des Motorblocks und/oder der darin aufgenommenen Zylinderlaufbuchsen entsteht, durch die Honbearbeitung erzeugt und somit vorgehalten werden. Die statischen und thermischen Deformationen sind jedoch bei strukturell uneinheitlichen Werkstücken wie beispielsweise einem mit Zylinderbohrungen versehenen Motorblock durch Wandstärkenunterschiede und durch unterschiedliche Anbindungen der Zylinderlaufbahnen an das motorinterne Kühlsystem nicht symmetrisch. Bei manchen Honverfahren ist daher zur idealen Abbildung der Negativform eine Deformation des Werkstücks während der Honbearbeitung vorgesehen, die der Deformation nach der Montage der Zylinderlaufbuchse oder des Motorblocks in eine Brennkraftmaschine während des Betriebs der Brennkraftmaschine entspricht. Damit sollen während der Honbearbeitung die gleichen Deformationsverhältnisse wie im Betrieb der Brennkraftmaschine simuliert werden, so dass im Betrieb der Brennkraftmaschine eine „ideal” kreiszylindrische Zylinderbohrung vorliegt.
Dazu schlägt die DE 28 10 322 C2 vor, die Verschlechterung der Zylinderform der Zylinderbohrungen bei der Montage des Zylinderkopfes dadurch zu vermeiden, dass der Motorblock für die Honbearbeitung mit Hilfe einer Spanneinrichtung deformiert wird, die in der Art eines Zylinderkopfes auf die Stirnfläche des Motorblocks aufgeschraubt wird und somit die spätere Deformation durch den Zylinderkopf simuliert. In dem verspannten Zustand, der dem später bei der Montage vorliegendem Zustand entspricht, findet die Honbearbeitung statt, danach wird die Verspannung wieder gelöst. Ein ähnlicher Vorschlag ist in der JP 11-267960 beschrieben.
Um zusätzlich die Verformung durch Temperatureinwirkung zu simulieren, ist es außerdem bekannt, das Werkstück mittels heißem Honöl aufzuheizen. Diese Verfahren sind jedoch aufwändig und teuer und mit hohen Sicherheitsrisiken für die Maschinenbediener verbunden. Sie werden daher nur für die Einzelfertigung, nicht jedoch in der Serienfertigung eingesetzt.
In der WO 2004/022284 A1 wird eine Spanneinrichtung für ein Feinbearbeitungsverfahren beschrieben, bei der eine variable Spannkrafteinleitung in einen Motorblock auf eine für die Aufnahme eines Zylinderkopfes vorgesehene Stirnfläche erfolgt, die mit Hilfe eines oder mehrerer Spannkrafterzeugungssysteme vorgenommen wird.
Aus der DE 102 58 143 A1 ist ein Verfahren zur Honbearbeitung einer Bohrungsinnenfläche in einem Pleuel bekannt, bei dem das Werkstück im Bereich der Bohrung senkrecht zur Bohrungsachse mit einer zu einer ovalen Verformung des Bohrungsquerschnitts ausreichenden Spannkraft zusammengedrückt wird. Im zusammengedrückten Zustand wird die Innenfläche der Bohrung mit Hilfe eines Honwerkzeuges zur Erzeugung eines im Wesentlichen kreisrunden Bohrungsquerschnittes feinbearbeitet. Nach Wegnahme der Spannkraft hat die Bohrung im unbelasteten Werkstück dann eine ovale Querschnittsfläche.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Feinbearbeiten einer Zylinderbohrung für einen Motorblock bereitzustellen, das es ermöglicht, die Zylinderbohrung in einem Deformationszustand zu bearbeiten, der einem Betriebszustand einer mit dem Motorblock verwirklichten Brennkraftmaschine nahe kommt oder entspricht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Deformationseinrichtung bereitzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgaben stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eine Deformationseinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 9 bereit.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Feinbearbeiten einer Zylinderbohrung für einen Motorblock vorgesehen, bei dem ein Feinbearbeitungswerkzeug innerhalb der Zylinderbohrung axial beweglich und um seine Werkzeugachse rotierend angetrieben wird und eine an dem Feinbearbeitungswerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung einer Innenfläche der Zylinderbohrung mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt wird. Während des Feinbearbeitungsvorgangs wird zumindest eine Deformationskraft an einem Bohrungsumfang der Zylinderbohrung eingeleitet. Die Krafteinleitung „am Bohrungsumfang” bedeutet insbesondere, dass die Kräfte überwiegend von der Seite eingeleitet werden und nicht in Axialrichtung. Dadurch kann eine elastische Deformation der Zylinderbohrung mit einer besonders genau vorgebbaren örtlichen bzw. lokalen Verteilung der Veränderung der Geometrie der Zylinderbohrung bei der Bearbeitung hervorgerufen werden. Hierzu ist vorgesehen, dass die zumindest eine Deformationskraft eine Hauptkraftkomponente aufweist, die in radialer Richtung orthogonal zu einer Mittelachse der Zylinderbohrung ausgerichtet ist. Die zu bearbeitende Zylinderbohrung kann insbesondere in einer Zylinderlaufbuchse, die für den Einbau in einen Motorblock vorgesehen ist, oder in einem Motorblock vorgesehen sein.
Durch die Einleitung zumindest einer Deformationskraft am Bohrungsumfang der Zylinderbohrung kann eine selektive Deformation ausgewählter Bereiche der Zylinderbohrung in Umfangsrichtung und ggf. auch in Axialrichtung vorgenommen werden, um die gewünschte Negativfehlerform exakt zu erreichen. Damit kann für den Feinbearbeitungsvorgang eine annähernd wirklichkeitsgetreue Simulation der Kräfte- und Deformationsverhältnisse an der Zylinderbohrung verwirklicht werden, wie sie im Betrieb der Brennkraftmaschine auftreten. Dabei können nicht nur die durch einen aufgeschraubten Zylinderkopf hervorgerufenen statischen Deformationen simuliert werden, sondern eine realistischere Gesamtdeformation, die auch thermische Effekte, dynamische Deformationen durch Zünddrücke etc berücksichtigt. Da die Zylinderbohrung in dem deformierten, die spätere Betriebssituation simulierenden Deformationszustand auf eine zumindest nahezu ideale Kreiszylinderform feingearbeitet wird, ist sichergestellt, dass diese Zylindrizität auch beim Betrieb der Brennkraftmaschine unter Einbeziehung der statischen und thermischen Deformationen wieder erreicht wird.
Die Deformationskraft, die am Bohrungsumfang eingeleitet wird, kann in einem kartesischen Koordinatensystem in drei Kraftvektoren aufgeteilt werden, die jeweils orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Eine Koordinatenachse des Koordinatensystems ist orthogonal zu einer Mittelachse der Zylinderbohrung ausgerichtet und verläuft somit in radialer Richtung zur Zylinderbohrung. Die Kraftkomponente längs dieser radial ausgerichteten Koordinatenachse ist betragsmäßig größer als die Kraftkomponenten längs der beiden anderen Koordinatenachsen und wird daher auch als Hauptkraftrichtung bezeichnet. Die beiden anderen Kraftkomponenten können auch vernachlässigbar oder verschwindend klein sein, insbesondere betragsmäßig Null, so dass eine rein radiale Kraft als Deformationskraft in die Zylinderbohrung eingeleitet wird. Die Hauptkraftkomponente ist typischerweise in radialer Richtung orthogonal auf eine Mittellachse der Zylinderbohrung ausgerichtet und bewirkt eine Deformation der Zylinderbohrung radial nach innen entgegen der Stellkraft des Feinbearbeitungswerkzeugs. Sie kann in Sonderfällen auch längs der orthogonal zur Mittelachse ausgerichteten Koordinatenachse von der Mittelachse wegweisen, so dass die Zylinderbohrung radial nach außen deformiert wird.
Durch eine derartige Ausrichtung der Hauptkraftkomponente wird erreicht, dass die Deformationskraft eine vorzugsweise elastische Deformation der Zylinderbohrung in der für den Feinbearbeitungsvorgang relevanten Radialrichtung bewirkt. Axiale Kraftkomponenten längs der anderen Koordinatenachsen und daraus resultierende axiale Deformationen fallen demgegenüber geringer aus. Aufgrund der vorwiegend oder ausschließlich in Radialrichtung wirkenden Deformationskräfte sind die zur Erzielung einer gewünschten Absolut-Deformation erforderlichen Kräfte betragsmäßig in der Regel deutlich kleiner als bei herkömmlichen Verfahren, so dass eine schonende Werkstückdeformation möglich ist.
Die Krafteinleitung wird in der Regel auf mechanischem Wege durchgeführt. Auch eine thermische Deformationskrafteinleitung, z. B. mittels lokal wirkender induktiver Erwärmung des die Zylinderbohrung umgebenden Werkstückmaterials und/oder eine magnetische Krafteinleitung sind als Alternative oder unterstützend möglich.
In Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass längs der Mittelachse, d. h. in Axialrichtung der Zylinderbohrung, und/oder entlang des Bohrungsumfangs der Zylinderbohrung mehrere Deformationskräfte, insbesondere mit unterschiedlichem Betrag und/oder unterschiedlicher Richtung, eingeleitet werden. Durch die Aufbringung und Einleitung mehrerer Deformationskräfte längs der Mittelachse der Zylinderbohrung kann insbesondere auf die unterschiedlichen Elastizitätseigenschaften der Zylinderbohrung in Axialrichtung Rücksicht genommen werden und unterschiedliche Deformationen der Zylinderbohrung in Abhängigkeit von einer Position längs der Mittelachse verwirklicht werden. Unterschiedliche Elastizitätseigenschaften der Zylinderbohrung werden in einem Motorblock insbesondere durch die Anordnung von Kühlkanälen und Hohlräumen für mechanische Bauteile wie Pleuel oder eine Kurbelwelle bestimmt.
Für die Negativfehlerform der Zylinderbohrung kann vorgesehen sein, dass diese nach Beendigung des Feinarbeitungsvorgangs und ohne Deformationskräfte einen längs der Mittelachse konstanten Querschnitt in einer zur Mittelachse orthogonalen Querschnittsebene aufweist. Ebenso kann alternativ vorgesehen werden, dass die Zylinderbohrung längs der Mittelachse unterschiedliche, ineinander übergehende Querschnitte aufweist. Für eine gezielte Deformation der Zylinderbohrung im Hinblick auf unterschiedliche Elastizitätseigenschaften in einer Querschnittsebene, die ebenfalls von einer Anordnung von Kühlkanälen und anderen Ausnehmungen bestimmt sein können, werden am Umfang der Zylinderbohrung mehrere Deformationskräfte eingeleitet. Diese Deformationskräfte können sich in Betrag und Richtung unterscheiden und können an einigen wenigen Umfangsbereichen oder gleichverteilt über einen Umfangsabschnitt oder über den gesamten Umfang der Zylinderbohrung eingeleitet werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zumindest eine Deformationskraft während der Feinbearbeitung der Zylinderbohrung, insbesondere in Abhängigkeit vom durchgeführten Bearbeitungsschritt, in Betrag und/oder Richtung variiert wird. Damit kann beispielsweise eine Anpassung der Deformation auf unterschiedliche Honvorgänge wie Vorhonen, Zwischenhonen, Fertighonen, Plateauhonen o. dgl. vorgenommen werden. Während beim Vorhonen für einen hohen Materialabtrag zur Gestaltung einer Makrostruktur der Zylinderbohrung mit größeren Zustellkräften gearbeitet wird, kommen bei den weiteren Honvorgängen wie dem Zwischenhonen, dem Fertighonen und dem Plateauhonen kleinere Zustellkräfte zum Einsatz, da hier die Erzeugung einer gewünschten Mikrostruktur der Zylinderlauffläche im Vordergrund steht. Abhängig von den vom Honwerkzeug bei den unterschiedlichen Honvorgängen radial nach außen ausgeübten Zustellkräften können eine oder mehrere Deformationskräfte variiert werden, um eine Deformation der Zylinderbohrung vorteilhaft auf die jeweils ablaufenden Honvorgänge anpassen zu können.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine kraftabhängige oder wegabhängige Steuerung oder Regelung der Deformationskräfte vorgenommen wird. Damit kann eine besonders exakte Beeinflussung der Deformation der Zylinderbohrung sichergestellt werden. Bei einer kraftabhängigen Steuerung wird von einer Steuereinrichtung ein Deformationskraftwert vorgegeben, der beispielsweise in Abgängigkeit vom durchgeführten Feinarbeitungsvorgang variieren kann. Bei einer wegabhängigen Steuerung wird ein durch die Deformationskraft hervorgerufener Deformationsweg von der Steuereinrichtung vorgegeben. Sowohl bei der kraftabhängigen als auch bei der wegabhängigen Steuerung findet nur eine Vorgabe durch die Steuereinheit statt, eine Kontrolle der Erreichung des vorgegebenen Wertes ist hingegen nicht vorgesehen. Der tatsächlich vorliegende Deformationsweg und/oder die tatsächliche Deformationskraft kann bei einer Regelung anhand geeigneter Weg- oder Kraftsensoren ermittelt werden und in einer geschlossenen Regelschleife an eine Regeleinrichtung übermittelt werden, die gegebenenfalls eine Anpassung der jeweils aufgebrachten Deformationskräfte ermöglicht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Kopplung der Steuer- oder Regeleinrichtung mit einer Maschinensteuerung oder -regelung einer Feinbearbeitungsmaschine vorgesehen, so dass in einfacher Weise eine vom Feinbearbeitungsvorgang abhängige Steuerung oder Regelung der Deformationskräfte vorgenommen werden kann.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine oder mehrere Deformationskräfte an zumindest einer benachbart zur Zylinderbohrung angeordneten Ausnehmung eingeleitet werden. Eine Ausnehmung kann insbesondere als Bohrung für eine Zylinderkopfschraube oder als Kühlkanal in einem Motorblock gestaltet sein und ermöglicht eine Einleitung der Deformationskräfte in unmittelbarer Umgebung der Zylinderbohrung mit Abstand neben dieser. Zur Krafteinleitung können verschiedenartige Ausnehmungen, insbesondere Kühlkanäle und Zylinderschraubenbohrungen, alternativ oder gleichzeitig genutzt werden. Eine Einleitung von Deformationskräften an unterschiedlichen, zueinander versetzten Positionen in Axialrichtung der Zylinderbohrung in die Ausnehmungen kann ebenfalls vorgesehen werden, da die Ausnehmungen typischerweise zumindest über einen erheblichen Bruchteil einer Bohrungslänge der Zylinderbohrung in das Material des Motorblocks eingebracht sind. Damit kann eine vorteilhafte und wirklichkeitsnahe Simulation der statischen und thermischen Spannungsverhältnisse im Bereich der Zylinderbohrung verwirklicht werden, die einer Betriebssituation des Motorblocks in der Brennkraftmaschine zumindest sehr nahe kommt.
Die Deformationskräfte können als Zug- oder Druckkräfte in eine oder mehrere gleichartige oder ungleichartige Ausnehmungen eingeleitet werden und ermöglichen somit sowohl eine Dehnung als auch eine Kompression der Zylinderbohrung. Durch die Nutzung der benachbart zur Zylinderbohrung angeordneten Ausnehmungen zur Einleitung von Deformationskräften können insbesondere die statischen Spannungsverhältnisse, die beispielsweise durch die Verschraubung des Zylinderkopfes auf den Motorblock hervorgerufen werden, besonders wirklichkeitsnah simuliert werden. Zudem kann durch die typischerweise geringe Distanz zwischen Ausnehmung und Zylinderbohrung bereits mit geringen Deformationskräften eine signifikante Deformation der Zylinderbohrung verwirklicht werden, da die zu deformierende Materialstärke, z. B. die Wandstärke zwischen Ausnehmung und Zylinderbohrung, gering ist.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Ausnehmung in Radialrichtung, vorzugsweise elastisch, expandiert bzw. aufgeweitet wird, was an der Zylinderbohrung in der Ausnehmung benachbarten Bereichen zu einer Verschiebung der Zylinderlauffläche nach radial innen, d. h. zur Mittelachse der Bohrung führt.
Bei vielen Verfahrensvarianten ist vorgesehen, dass eine die Zylinderbohrung endseitig begrenzende Stirnfläche, insbesondere eine Zylinderkopfauflagefläche, im Wesentlichen frei, bevorzugt vollständig frei, von Deformationskrafteinleitungen ist. Der Verzicht auf Deformationskrafteinleitungen an der endseitigen Stirnfläche der Zylinderbohrung ermöglicht u-a. für das Honwerkzeug einen freien Zugang zur Zylinderbohrung, da keine störenden Vorrichtungen zur Aufbringung von Deformationskräften auf die Stirnfläche vorgesehen sind. Bei anderen Varianten kann zusätzlich zur radialen Krafteinleitung eine Krafteinleitung über die Stirnfläche vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Deformationseinrichtung zur Deformation einer Zylinderbohrung für einen Motorblock vorgesehen, die zumindest ein Kraftübertragungselement zur Einleitung einer Deformationskraft, deren Hauptkraftkomponente in radialer Richtung orthogonal zu einer Mittelachse der Zylinderbohrung ausgerichtet ist, aufweist.
Manche Ausführungsformen sind besonders für die Deformation von Zylinderbohrungen in Motorblöcken angepasst. Bei manchen dieser Ausführungsformen ist das Kraftübertragungselement für eine Einleitung der Deformationskraft als Druckkraft in eine der Zylinderbohrung benachbarte Ausnehmung, insbesondere in eine Bohrung oder in einen Kühlkanal, gestaltet. Derartige Deformationseinrichtungen ermöglichen die Einleitung von Zug- oder Druckkräften in Ausnehmungen, also benachbart zur Zylinderbohrung im Motorblock vorgesehene Vertiefungen, die beispielsweise als Kühlkanäle für ein Kühlmedium oder als Gewindebohrungen, beispielsweise für Zylinderkopfschrauben gestaltet sind und die sich von einer Stirnseite des Werkstückes zumindest über einen Bruchteil einer Tiefe der Zylinderbohrungen in den Motorblock hinein erstrecken. Durch die Einleitung von Deformationskräften in geeignet ausgewählte Ausnehmungen kann eine besonders wirklichkeitsnahe Simulation der Deformation des Motorblocks während des Betriebs der Brennkraftmaschine erzielt werden. Die Deformationen der Zylinderbohrung werden überwiegend von den statischen Kräften, beispielsweise von den Spannkräften der Zylinderkopfschrauben, hervorgerufen. Zudem werden jedoch auch thermische Deformationen, insbesondere im Bereich der mit relativ geringem Abstand zu den Zylinderbohrungen angeordneten Kühlkanäle, durch den im Betrieb der Brennkraftmaschine hohen Temperaturunterschied zwischen dem durch die Zylinderbohrung begrenzten Brennraum und dem Kühlkanal, der von Kühlmedium durchströmt ist, hervorgerufen. Bei Motorblöcken der so genannten „opendeck”-Bauweise, bei denen die Kühlkanäle zumindest abschnittsweise zur endseitigen Stirnfläche der Zylinderbohrung, die insbesondere als Zylinderkopfauflagefläche dient, offen sind, kann mit Hilfe der Deformationseinrichtung eine Krafteinleitung zur Simulation des statischen und thermischen Verzugs während der Honbearbeitung vorgenommen werden. Die Einleitung von Deformationskräften erfolgt über zumindest ein Kraftübertragungselement, das derart gestaltet ist, dass es Deformationskräfte einleiten kann, die eine Hauptkraftkomponente in radialer Richtung auf die Mittelachse der Zylinderbohrung aufweist. Mit den Kraftübertragungselementen können nach radial außen oder radial innen wirkende Druckkräfte in die Ausnehmungen eingeleitet werden und somit die gewünschte Simulation des Betriebszustands der Brennkraftmaschine bei der Honbearbeitung des Motorblocks verwirklicht werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftübertragungselement für eine Einleitung paarig entgegengesetzt gerichteter Druckkräfte zur Aufweitung der Ausnehmung gestaltet ist. Die Einleitung paarig entgegengesetzter Druckkräfte kann insbesondere durch mindestens ein als Spreizeinrichtung ausgeführtes Kraftübertragungselement verwirklicht werden. Die Spreizeinrichtung wird in einem entspannten Zustand, also mit einem Querschnitt, der kleiner als ein freier Querschnitt der Ausnehmung ist, in die Ausnehmung eingeführt. Anschließend wird die Spreizeinrichtung betätigt, was zu einer Veränderung des Querschnitts bzw. der maßgeblichen Dimension der Spreizeinrichtung in Radialrichtung führt. Dadurch dass die Spreizeinrichtung mit zumindest zwei, insbesondere gegenüberliegend angeordneten Wandabschnitten der Ausnehmung in Berührung und kann paarig entgegengesetzte Druckkräfte auf diese Wandabschnitte ausüben, so dass eine Deformation der der Ausnehmung benachbarten benachbarten Zylinderbohrung bewirkt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftübertragungselement zumindest zwei zueinander relativbewegliche, insbesondere keilförmig gestaltete, Druckabschnitte aufweist, die für die Aufweitung der Ausnehmung gestaltet sind. Beispielsweise können als Keile ausgeführte Druckabschnitte vorgesehen sein, die gegensinnig zueinander ausgerichtet sind und jeweils mit ihren Keilflächen aneinander anliegen. Durch eine translatorische Relativbewegung können die Keile mit ihren Keilflächen aneinander entlang gleiten und können dadurch in einer Ebene orthogonal zur Relativbewegungsrichtung eine Querschnittsvergrößerung herbeiführen. Diese Querschnittsvergrößerung ermöglicht ein Anlegen von einander abgewandten Außenflächen der Keile an die Wandabschnitte der Ausnehmung und somit die Einleitung der paarig entgegengesetzten Deformationskräfte.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraftübertragungselement als Einlegeteil für die Ausnehmung gestaltet ist, um ein vorgebbares Druckprofil zur Beeinflussung einer Bohrungsgeometrie beim Honvorgang zu erzeugen. Das Einlegeteil kann für eine statische oder dynamische Beeinflussung der Bohrungsgeometrie der Zylinderbohrung vorgesehen sein. Das Einlegeteil kann auf einen Querschnitt einer Ausnehmung angepasst und bezogen auf diesen Querschnitt bereichsweise mit einem Übermaß versehen sein, um bei einem Einlegen in eine Ausnehmung eine statische Deformation der Ausnehmung hervorzurufen. Dazu können an dem Einlegeteil ein oder mehrere, voneinander beabstandete Druckbereiche, also Bereiche mit größerem Übermaß vorgesehen sein. Diese Druckbereiche bestimmen nach dem Einlegen des Einlegeteils in die Ausnehmung Bereiche hoher Deformationskräfte und damit ein vorgebbares Druckprofil in der Ausnehmung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Einlegeteil zumindest eine expandierbare Hohlkammer aufweist, die für eine Einleitung zumindest eines Druckmediums zur Variation der Geometrie der Druckprofilierung vorgesehen ist. Die Hohlkammer ermöglicht die Gestaltung des Einlegeteils ohne Übermaß, so dass dieses ohne Übermaß in einer im Wesentlichen drucklosen Ruhestellung bequem in die Ausnehmung eingelegt werden kann. Anschließend kann die zumindest eine Hohlkammer mittels eines Druckmediums expandiert werden und ruft somit eine Querschnittsvergrößerung des Einlegeteils hervor, so dass dieses in Anlage mit Wandabschnitten der Ausnehmung kommt und durch das Übermaß eine Ausübung von Deformationskräften auf die Wandabschnitte der Ausnehmung ermöglicht. Durch eine Änderung des Drucks des Druckmediums kann eine Anpassung der vom Einlegeteil ausgeübten Druckkräfte verwirklicht werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Kraftübertragungselement zumindest eine Stelleinrichtung zugeordnet ist, die für eine, insbesondere hydraulische oder elektromechanische, Aufbringung von Fremdkräften ausgebildet ist. Mit einer Stelleinrichtung können Kraftübertragungselemente, die für eine Einleitung von einzelnen oder paarigen Deformationskräften gestaltet sind, während des Feinbearbeitungsvorgangs beeinflusst und hinsichtlich der aufzubringenden Deformationskräfte verändert werden. Insbesondere können Kräfte, die von der Stelleinrichtung in Form eines hydraulischen Drucks oder einer translatorischen und/oder rotatorischen Stellbewegung auf die Kraftübertragungselemente eingeleitet werden, in Abhängigkeit von Verfahrensschritten des durchgeführten Feinbearbeitungsvorgangs verändert werden, um eine vorteilhafte Anpassung der Deformationskräfte auf den Feinbearbeitungsvorgang zu gewährleisten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kopplungseinrichtung zur Ankopplung an eine Spanneinrichtung, die zur Festlegung des Motorblocks und zur Aufnahme von Bearbeitungskräften, die auf den Motorblock während eines Feinbearbeitungsvorgangs einwirken, gestaltet ist, vorgesehen. Die Kopplungseinrichtung ist für eine Kraftübertragung zwischen der Deformationseinrichtung und einer Spanneinrichtung vorgesehen und ermöglicht somit einen Kraftfluss zwischen Deformationseinrichtung, Motorblock und Spanneinrichtung. Damit können auch von der Deformationseinrichtung einzeln aufgebrachte Kräfte abgestützt werden, wie sie beispielsweise bei Ausübung von Zug- oder Druckkräften auf einen einzelnen Wandabschnitt einer Ausnehmung oder auf eine Außenfläche des Motorblocks vorgesehen sein können. Diese einzelnen Kräfte ermöglichen eine besonders effektive Deformation des Motorblocks, müssen jedoch durch einen geschlossenen Kraftfluss abgestützt werden, was durch die Kopplungseinrichtung und die damit geschaffene Verbindung zwischen Spanneinrichtung, Motorblock und Deformationseinrichtung gewährleistet werden kann.
Bei anderen Ausführungsformen umfasst die Deformationseinrichtung mindestens eine Spannbuchse zur Deformation einer Zylinderlaufbuchse, wobei die Spannbuchse einen in Umfangsrichtung weitgehend oder vollständig geschlossenen, z. B. ringartigen Grundkörper aufweist, an dem zumindest ein Kraftübertragungselement zur Einleitung einer Deformationskraft an einem Bohrungsumfang der Zylinderbohrung angebracht ist, das für eine Aufbringung der Deformationskräfte in radialer Richtung auf eine Mittelachse der Zylinderbohrung radial nach innen weisend an dem Grundkörper angeordnet ist.
Die Zylinderlaufbuchse ist typischerweise als hohlzylindrischer Körper gestaltet und weist eine Zylinderbohrung auf, die deren Begrenzungsfläche als Lauffläche für einen Kolben einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Die Zylinderlaufbuchse wird in einen Motorblock einer Brennkraftmaschine eingebaut. Die Verwendung von Zylinderlaufbuchsen ermöglicht es beispielsweise, für die Zylinderlauffläche ein anderes Material zu verwenden als für den Motorblock. Im Gegensatz zu einer unmittelbar im Motorblock eingebrachten Zylinderbohrung können Zylinderbuchsen im Verschleißfall ausgetauscht werden. Um während einer Honbearbeitung einer noch nicht im Motorblock eingebauten Zylinderlaufbuchse eine gezielte Deformation der Zylinderbohrung vornehmen zu können, ist eine Spannbuchse vorgesehen, die die Zylinderlaufbuchse in der Art einer Hülse oder eines Ringes zumindest abschnittsweise über mindestens die Hälfte des Umfanges umgeben kann. Die Spannbuchse ist mit zumindest einem Krafteinleitungselement ausgestattet, das die Einleitung einer Deformationskraft auf eine Außenfläche der Zylinderlaufbuchse ermöglicht. Bei Vorliegen eines einzelnen Krafteinleitungselements findet eine Abstützung der eingeleiteten Deformationskraft an einer dem Krafteinleitungselement gegenüberliegenden Berührfläche zwischen Spannbuchse und Zylinderlaufbuchse statt. Um eine definierte Kraftabstützung gewährleisten zu können, können über den Umfang der Spannbuchse gleichverteilt oder in unregelmäßigen Umfangsabständen mehrere Krafteinleitungselemente vorgesehen sein, die somit eine gezielte Deformation der Zylinderlaufbuchse ermöglichen. Um eine vorgebbare Deformationskraftverteilung längs der Mittelachse der Zylinderbohrung zu verwirklichen, können längs einer Mittelachse der Spannbuchse mehrere beabstandet voneinander angeordnete Krafteinleitungselemente oder auch mehrere Spannbuchsen vorgesehen werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest einem Kraftübertragungselement eine Verstelleinrichtung zur Veränderung der Deformationskraft zugeordnet ist. Die Krafteinleitungselemente können somit einzeln oder kollektiv verstellbar ausgeführt werden, um in Abhängigkeit von einem durchzuführenden Feinbearbeitungsschritt eine Einstellung der Deformationskräfte und damit der Geometrie der Zylinderbohrung vornehmen zu können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Versteileinrichtung als an einem Innenumfang des hülsenförmigen Grundkörpers zumindest teilweise umlaufend angeordnete, flexible Druckkammer gestaltet ist, der insbesondere zumindest ein Kraftübertragungselement zugeordnet ist. Mittels einer am Innenumfang der Spannbuchse angebrachten Druckkammer, die insbesondere als eine mit einer elastischen Membran verschlossene Tasche oder Manschette ausgeführt sein kann, ist eine Anpassung der Deformationskraft, die von der Spannbuchse auf die Zylinderlaufbuchse ausgeübt werden kann, möglich. Zu diesem Zweck kann die Druckkammer mit einem Druckmedium, beispielsweise einer Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden und somit eine radial nach innen gerichtete Deformationskraft auf die Zylinderlaufbuchse ausüben. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein radial nach innen weisendes Kraftübertragungselement an der Druckkammer angebracht, so dass nicht eine Gesamtoberfläche der Druckkammer an der Zylinderlaufbuchse anliegt, sondern nur ein durch das Kraftübertragungselement bestimmter Bereich. Damit kann eine lokal begrenzte Aufbringung einer Deformationskraft durch die Druckkammer verwirklicht werden.
Die Erfindung ist bei unterschiedlichen Feinbearbeitungsverfahren nutzbar. In vielen Fällen wird zur Feinbearbeitung bei mindestens einem Bearbeitungsschritt ein Honwerkzeug eingesetzt. Häufig werden mehrere Feinbearbeitungsschritte hintereinander durchgeführt und es werden bei allen Feinbearbeitungsschritten Honwerkzeuge benutzt, so dass das Feinbearbeitungsverfahren ein reines Honverfahren ist. Es ist auch möglich, die Feinbearbeitung bei mindestens einem Bearbeitungsschritt mittels Feindrehen durchzuführen, wozu geeignete Feindrehwerkzeuge eingesetzt werden. Auch eine Kombination von Feindrehen und Honen ist möglich.
Mit Hilfe erfindungsgemäßer Verfahren und Deformationseinrichtungen können feinbearbeitete Werkstücke mit günstigen Gebrauchseigenschaften hergestellt werden. Insbesondere kann ein Werkstück geschaffen werden, das mit mindestens einer Zylinderbohrung versehen ist, die eine gehonte und/oder feingedrehte Innenfläche aufweist, wobei die Zylinderbohrung in mindestens einem axialen Bohrungsabschnitt eine vorgebbare, nicht-kreiszylindrische Bohrungsform hat und an einem Umfang des axialen Bohrungsabschnitts im Wesentlichen konstante Rauheitswerte aufweist. Das Werkstück, das insbesondere ein Motorblock oder eine Zylinderlaufbuchse sein kann, ist während einer Feinbearbeitung mit zumindest einer von einer Deformationseinrichtung oder einer Spannbuchse ausgeübten Deformationskraft beaufschlagt worden und weist damit in einem noch nicht montierten, deformationskraftfreien Zustand zumindest eine nicht-kreiszylindrische Zylinderbohrung auf. Diese Zylinderbohrung wurde jedoch während der Feinbearbeitung in eine zumindest nahezu ideale Zylinderform derart oberflächenbearbeitet, dass eine über den Bohrungsumfang im Wesentlichen gleichartige Tragoberfläche erzeugt wurde, die insbesondere eine im Wesentlichen konstante Rauhtiefe aufweist. Diese Rauhtiefeverteilung bleibt auch nach Entfernen der Deformationseinrichtungen erhalten, so dass auch das kraftfreie Werkstück auf seiner nicht-kreiszylindrischen Innenfläche eine im Wesentlichen konstante Rauhtiefe aufweist.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Ansprüche sowie aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die anhand der Zeichnungen dargestellt sind. Dabei zeigt:
1 eine erste Ausführungsform einer Deformationseinrichtung, die an benachbart zu einer Zylinderbohrung angeordneten Kühlkanälen eines Motorblocks kraftschlüssig angreift,
2 eine zweite Ausführungsform einer Deformationseinrichtung mit Einzelkeilen,
3 eine dritte Ausführungsform einer Deformationseinrichtung mit Doppelkeilen,
4 eine vierte Ausführungsform einer Deformationseinrichtung mit nach außen weisenden Druckstangen,
5 eine fünfte Ausführungsform einer Deformationseinrichtung mit nach innen weisenden Druckstangen,
6 eine sechste Ausführungsform einer Deformationseinrichtung mit Exzenterstangen,
7 eine Seitenansicht einer siebten Ausführungsform einer Deformationseinrichtung mit mehreren Schwenkhebeln,
8 eine Draufsicht auf die Deformationseinrichtung gemäß der 7,
9 eine achte Ausführungsform einer Deformationseinrichtung mit einem als Druckschlauch ausgeführten Einlegeteil in einem zirkular um eine Zylinderbohrung angeordneten Kühlkanal eines Motorblocks,
10 eine Draufsicht auf eine hälftig dargestellte Spannbuchse mit zwei gegenüberliegend angeordneten Krafteinleitungselementen und einer Zylinderlaufbuchse,
11 eine geschnittene Seitenansicht auf die Spannbuchse gemäß der 10,
12 eine Draufsicht auf eine hälftig dargestellte Spannbuchse mit einer Druckkammer und daran angebrachten Krafteinleitungselementen und einer Zylinderlaufbuchse,
13 eine geschnittene Seitenansicht auf die Spannbuchse gemäß der 12.
Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung werden für Bauteile gleicher oder ähnlicher Funktion durchgängig die gleichen Bezugsziffern verwendet.
Eine Deformationseinrichtung 1 gemäß der 1 ist über zwei als Druckhebel 2 ausgeführte Krafteinleitungselemente kraftschlüssig an Kühlkanälen 3 eines schematisch dargestellten Motorblocks 4 angebracht. In dem durch den Motorblock 4 gebildeten Werkstück ist eine als Sacklochbohrung ausgeführte Zylinderbohrung 5 vorgesehen, die eine Mittelachse 6 als Symmetrieachse aufweist. Die Kühlkanäle 3 sind jeweils konzentrisch zirkular umlaufend um die Zylinderbohrung 5 mit radialem Abstand zu dieser angeordnet und weisen einen konstanten Querschnitt auf. Dadurch ergibt sich eine konstante Wandstärke zwischen Kühlkanal 3 und Zylinderbohrung 5. Der Motorblock 4 ist aus einem metallischen Material, insbesondere Aluminium oder Gusseisen, hergestellt und ist für eine Bearbeitung der Zylinderbohrung 5 mit einem nicht dargestellten Honwerkzeug auf einer ebenfalls nicht dargestellten Spanneinrichtung einer Honmaschine festgelegt.
Die Deformationseinrichtung 1 ist beabstandet vom Motorblock 4 oberhalb einer endseitigen Stirnfläche 7 des Motorblocks 4 angeordnet, die auch als Zylinderkopfauflagefläche dienen kann. Die Deformationseinrichtung 1 weist eine Grundplatte 8 auf, an der zwei schematisch dargestellte Stelleinrichtungen 9, 10 angebracht sind, die für eine Aufbringung von Deformationskräften vorgesehen sind. Die Stelleinrichtung 9 ist als elektromechanische Stelleinrichtung ausgeführt und weist einen schematisch dargestellten, elektrisch betreibbaren Antriebsmotor 11 und eine damit antreibbare Gewindemutter 12 auf, die auf einen Gewindeabschnitt 13 des Druckhebels 2 einwirken kann. Mittels der elektromechanischen Stelleinrichtung 9 kann eine lineare Stellbewegung des Druckhebels 2 parallel zur Stirnfläche 7 in Radialrichtung bewirkt werden, durch die der Druckhebel 2 mit einer Innenfläche 14 des Kühlkanals 3 in Berührung kommt, wie dies in 1 dargestellt ist. Somit kann eine Deformationskraft in radialer Richtung orthogonal zur Mittelachse 6 in den Motorblock 4 eingeleitet werden. Die hydraulische Stelleinrichtung 10 ist funktionsgleich mit der elektromechanischen Stelleinrichtung 9, bedient sich jedoch anstelle elektrischer Energie eines hydraulischen Drucks, um die lineare Stellbewegung des Druckhebels 2 zu bewirken. Dazu ist der Druckhebel 2 endseitig mit einem Kolben 15 versehen, der in einem Zylinder 16 verschiebbar gelagert ist und der durch Hydraulikmedium oder auch Druckluft mit einer radial nach innen zur Mittelachse 6 gerichteten Druckkraft beaufschlagt werden kann.
Aus praktischer Sicht werden an einer Deformationseinrichtung 1 typischerweise entweder jeweils ausschließlich elektromechanische oder ausschließlich hydraulische Stellmittel angebracht, eine Mischbestückung wie in der 1 dargestellt ist jedoch ebenfalls denkbar. Es ist bei zwei gegenüberliegend angeordneten Druckhebeln, wie sie in der 1 dargestellt sind, auch ausreichend, wenn nur einer der Druckhebel mit einer Stelleinrichtung 9, 10 versehen ist, da ein Kraftfluss von der Stelleinrichtung 9, 10 über den ersten Druckhebel 2 in den Motorblock 4 und von dort in den zweiten Druckhebel 2 und über die Grundplatte 8 wieder in den ersten Druckhebel 2 stattfindet. Die paarig entgegengesetzt gerichteten Deformationskräfte resultieren aus einer Verringerung eines Abstandes zwischen den beiden Druckhebeln 2, die in den Ausnehmungen 3 aufgenommen sind. Es können auch mehr als zwei gleichmäßig oder ungleichmäßig über den Umfang der Zylinderbohrung verteilte Druckhebel vorgesehen sein.
Die Deformationseinrichtung 1 kann autark, das heißt ohne eine Kopplung an die Spanneinrichtung betrieben werden, eine Abstützung der Deformationskräfte findet durch die beiden Druckhebel 2 und die Grundplatte 8 statt. Die in die Kühlkanäle eingeleiteten Deformationskräfte führen bei der Zylinderbohrung 5 zu einer nicht näher dargestellten Deformation, so dass eine Betriebssituation des Motorblocks in einer Brennkraftmaschine simuliert werden kann und die zu honende Zylinderbohrung in dieser simulierten Betriebssituation auf eine zumindest nahezu ideale Zylinderform gehont werden kann.
Bei der Ausführungsform einer Deformationseinrichtung 1 gemäß der 2 sind zwei in vertikaler Richtung, also parallel zur Mittelachse 6 verstellbare, jeweils als Einzelkeile 17 ausgeführte Spreizeinrichtungen vorgesehen, die schiebebeweglich an der Grundplatte 8 angebracht sind. Den Einzelkeilen 17 ist jeweils eine Stelleinrichtung 9 zugeordnet. Die Einzelkeile 17 werden durch die Stelleinrichtung 9 mit einer in Richtung des Motorblocks 4 gerichteten Druckkraft beaufschlagt und stützen sich jeweils an einem äußeren Wandabschnitt der Kühlkanäle 3 mit einer Keilfläche 18 ab, während eine Planfläche 19 der Einzelkeile 17 an einem der Zylinderbohrung 5 benachbarten Wandabschnitt der Kühlkanäle anliegt. Durch die nach unten gerichtete Druckkraft und die Wirkung der Keilflächen 18 wird eine nach innen gerichtete Deformationskraft auf die die Zylinderbohrung umgebende Wandung ausgeübt, die eine Hauptkraftkomponente in radialer Richtung auf die Mittelachse 6 aufweist. Damit kann insbesondere ein der Stirnfläche 7 benachbarter Endbereich der Zylinderbohrung 5 deformiert werden.
Bei der Ausführungsform einer Deformationseinrichtung 1 gemäß der 3 sind jeweils Doppelkeile 20 vorgesehen, die gegensinnig zueinander angeordnet sind und mit ihren Keilflächen 21 aneinander anliegen. Während der jeweils innenliegende Doppelkeil 20 fest an der Grundplatte 8 aufgenommen ist, kann der jeweils außenliegende Doppelkeil 20 von einer Stelleinrichtung 9 in vertikaler Richtung, also parallel zur Mittelachse 6 verschoben werden. Durch die Relativbewegung der Doppelkeile 20 verändert sich ein von den Doppelkeilen 20 eingenommener Querschnitt. Bei einer Bewegung der Doppelkeile 20 in vertikaler Richtung nach unten können im Wesentlichen radial zur Mittelachse 8 gerichtete Deformationskräfte auf die die Zylinderbohrung umgebende Wandung ausgeübt werden, die zu der gewünschten Deformation der Zylinderbohrung 5 führen. Dabei werden die durch die Kühlkanäle gebildeten Ausnehmungen in Radialrichtung aufgespreizt bzw. aufgeweitet.
Bei den Ausführungsformen von Deformationseinrichtungen 1 gemäß der 4 und 5 sind jeweils geneigt und verschiebbar in der Grundplatte 8 aufgenommene Druckbolzen 22 vorgesehen, die mit einer Stelleinrichtung 9 längs einer jeweiligen Mittellängsachse 23 verschoben werden können und durch eine Verschiebung in Richtung Motorblock 4 gemäß der 4 eine radial nach außen gerichtete Deformationskraft und gemäß der 5 eine radial nach innen gerichtete Deformationskraft auf Bohrungen 24 für Zylinderkopfschrauben ausüben können. Die Bohrungen 24 können insbesondere bei den in 4 und 5 dargestellten Motorblöcken 4 genutzt werden, die in der „closed-deck”-Bauweise, also mit nach oben gegenüber der Stirnfläche 7 geschlossenen Kühlkanälen 3 versehen sind. Die Deformationseinrichtung 1 gemäß der 4 und 5 kann ebenso für eine Krafteinleitung in Kühlkanäle 3 bei „open-deck”-Motorblöcken 4 vorgesehen werden. Ebenso können die Deformationseinrichtungen gemäß der 1 bis 3 und die nachfolgend beschriebenen Deformationseinrichtungen der 6 und 7 auch für Bohrungen 24 von „closed-deck”-Motorblöcken eingesetzt werden.
Bei der Ausführungsform einer Deformationseinrichtung 1 gemäß der 6 sind Druckhebel 25 mit Exzenterköpfen 26 vorgesehen, die schwenkbar an der Grundplatte 8 gelagert sind und die mittels einer Stelleinrichtung 9 jeweils um parallel zur Mittelachse verlaufende Schwenkachsen 27 verschwenkt werden können. Durch die Exzenterköpfe 26 kann beim Verschwenken der Druckhebel 25 ein Abstand zwischen den Druckhebeln 25 variiert werden. Dies ermöglicht die Einleitung von radial nach innen gerichteten Deformationskräften auf einen zwischen den Druckhebeln 25 aufgenommener Motorblock 4. Ebenso wäre die Aufbringung von nach außen gerichteten Deformationskräften durch eine entgegengesetzte Drehung der Druckhebel 25 möglich, bei der die Exzenterköpfe 26 mit den nach außen gerichteten Wandabschnitten der Ausnehmungen in Berührung kommen.
Bei der Ausführungsform einer Deformationseinrichtung 1 gemäß der 7 und 8 ist eine kreisringförmige Grundplatte 28 vorgesehen, an der drei radial nach innen abragende Laschen 29 vorgesehen sind, die als Lagerelemente für Schwenkhebel 30 dienen, die um Schwenkachsen 31 schwenkbar gelagert sind. Den Schwenkhebeln 30 sind jeweils an der Grundplatte 28 drehbar angebrachte Getrieberäder 32 für eine Kraftübertragung zugeordnet, die von einem nicht dargestellten, mit einer Innenverzahnung versehenen Zahnrad angesteuert werden können. Die Schwenkhebel 30 werden durch die Getrieberäder 32 und das nicht dargestellte Zahnrad synchron angesteuert und können aus der dargestellten Ruhelage in eine dem Zentrum 33 angenäherte Funktionsposition gebracht werden. Die Schwenkhebel 30 sind jeweils mit Eingriffszapfen 34 versehen, die für eine Kraftübertragung mit einer Bohrung oder einem Kühlkanal dimensioniert sind.
Bei der Ausführungsform einer Deformationseinrichtung 1 gemäß der 9 ist ein als flexibles Einlegeteil ausgeführter Druckschlauch 35 vorgesehen, der mit mehreren Verdickungen 36 versehen ist und der mittels einer nicht näher dargestellten Druckquelle 37 mittels eines Hydraulikmediums mit einem Überdruck beaufschlagt werden kann. Der Druckschlauch weist eine begrenzte Elastizität auf, so dass bei einer Beaufschlagung mit einem Überdruck lediglich eine begrenzte Expansion des Druckschlauchs 35 stattfindet. Die Verdickungen 36 dienen als Kraftübertragungselemente und ermöglichen die selektive Einleitung von Deformationskräften in die Wandabschnitte des Kühlkanals 3, in denen die Verdickungen 36 anliegen und lokale Deformationen hervorrufen, so dass ein Druckprofil über den Umfang der Ausnehmung verwirklicht werden kann. Insbesondere kann bei dem in 9 dargestellten Druckschlauch 35 eine Zylinderbohrung 5 zu Beginn des Honvorgangs dreiecksförmig radial nach innen deformiert werden und weist nach Abschluss des Honvorgangs und Entnahme des Druckschlauchs zumindest abschnittsweise längs der Mittelachse eine dreizählig radialsymmetrische Negativfehlerkontur auf.
Bei der Ausführungsform einer Deformationseinrichtung 1 gemäß der 10 und 11 ist eine im Halbschnitt dargestellte, in Umfangsrichtung geschlossene, ringförmige Spannbuchse 38 vorgesehen, die an radial gegenüberliegenden Bereichen jeweils ein als Druckstempel 39 ausgeführtes Kraftübertragungselement aufweist. Die Spannbuchse 38 ist für die Aufbringung von nach radial innen gerichteten Deformationskräften auf eine Zylinderlaufbuchse 40 vorgesehen. Die Zylinderlaufbuchse 40, deren Innenfläche als Zylinderlauffläche 41 für einen nicht dargestellten Motorblock vorgesehen ist, weist eine im Halbschnitt dargestellte, hohlzylindrische Gestalt auf und wird im verspannten (deformierten) Zustand an seiner Innenfläche 41 mittels eines nicht dargestellten Honwerkzeugs oberflächenbearbeitet.
Die Druckstempel 39 der Spannbuchse 38 sind mit radial nach innen gewandten Druckflächen 42 versehen und weisen jeweils einen radial nach außen abragenden Gewindezapfen 43 auf, der in die Spannbuchse 38 eingeschraubt ist. Der Gewindezapfen 43 ermöglicht eine Einstellung des Abstands der beiden Druckstempel 38 und somit eine Einstellung der Deformation der zwischen den Druckstempeln 38 aufgenommen Zylinderlaufbuchse 40.
Bei der Ausführungsform einer Deformationseinrichtung 1 gemäß der 12 und 13 ist anstelle der Druckstempel eine manschettenartige Druckkammer 44 vorgesehen, die von der Spannbuchse 38 sowie von einer abdichtend am Innenumfang der Spannbuchse 38 angebrachten Membran 45 begrenzt wird. An der Membran sind jeweils in Umfangsrichtung um 90 Grad versetzt angeordnete Druckkissen 46 angebracht, die eine lokale Einleitung der von der Druckkammer 44 durch Druckbeaufschlagung mit einem Hydraulikmedium aufgebrachten Deformationskräfte auf eine Außenfläche der Zylinderlaufbuchse 40 bewirken kann. Für eine Druckbeaufschlagung der Druckkammer 44 ist ein Anschlussstutzen 47 vorgesehen, der mit einer nicht dargestellten Druckquelle, insbesondere einer Hydraulikpumpe, verbunden ist.
Durch die Honbearbeitung am deformierten Werkstück ist es bei allen Ausführungsformen möglich, dass über den Bohrungsumfang eine im Wesentlichen gleichartige Mikrostruktur, z. B. erkennbar an einer über den Umfang im Wesentlichen konstante Rautiefe, und damit eine einheitliche Tragoberfläche, hergestellt wird. Durch eine im Wesentlichen gleichartige Mikrostruktur, die im Beispielsfall eine einheitliche Plateaustruktur ist, können über den Umfang der Zylinderbohrung gleichbleibende Reibungsverhältnisse für den beweglich aufgenommenen Kolben und die Kolbenringe im Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet werden. Damit kann auch ein gleichmäßiger Verschleiß der relativ zueinander bewegten Bauteile der Brennkraftmaschine, also der Kolben mit den Kolbenringen einerseits und der Zylinderbohrung andererseits, gewährleistet werden. Bei einer Messung der Rautiefe am Umfang der Zylinderbohrung, also bei Abtastung eines kreisringförmigen Abschnitts der Zylinderbohrung ergibt sich eine im Wesentlichen konstante Rahtiefe der durch Honen bearbeiteten Zylinderbohrung.
Bei fertig bearbeiteten Werkstücken können typische Rauheitswerte über den gesamten Umfang beispielsweise in folgenden Bereichen liegen: Kernrautiefe R_K < 0,8 μm, insbesondere zwischen 0,2 μm und 0,5 μm und/oder Reduzierte Spitzenhöhe R_PK ≤ 0,3 μm, insbesondere weniger als 0,2 μm und/oder R_VK ca. 1 μm bis 3 μm und/oder gemittelte Rautiefe R_Z zwischen ca. 3 μm und 6 μm. Diese geringen Variationen der Rauheitskennwerte über den Umfang sind auch bei solchen Zylinderbohrungen erzielbar, deren Formabweichungen von einer ideal kreiszylindrischen Form deutlich außerhalb der üblichen, bei Honverfahren geltenden Toleranzen des Zylindrizitätsfehlers liegen, der bei „ideal kreiszylindrischen” Zylinderbohrungen in der Regel bei weniger als 10 μm liegt. Bei bevorzugten Varianten entsprechen die Formabweichungen der fertig bearbeiteten, unverspannten Werkstücke einem Zylindrizitätsfehler von deutlich mehr als 10 μm, wobei der Zylindrizitätsfehler vorzugsweise bei mehr als 20 μm, insbesondere zwischen 20 μm und ca. 60 μm liegt.
Der Zylindrizitätsfehler wird hier durch die Zylinderformtoleranz beschrieben. Die zugehörige Toleranzzone wird durch zwei zur Bohrungsachse und zueinander koaxiale, die Bohrungsinnenwand innen oder außen berührende Zylinder bestimmt, wobei der Radialabstand zwischen den beiden Zylindern ein Maß für die Zylindergüte darstellt. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird der Zylindrizitätsfehler ΔZ definiert als ΔZ = (D_A – D_I)/2, wobei D_A der Durchmesser des die Bohrungsinnenwand außen berührenden Zylinders und D_I der Durchmesser des die Bohrungswand innen berührenden Zylinders ist.

Claims

Verfahren zum Feinbearbeiten einer Zylinderbohrung (5) für einen Motorblock (4), insbesondere zum Honen einer Zylinderbohrung in einer Zylinderlaufbuchse (40) oder einer in einem Motorblock (4) eingebrachten Zylinderbohrung (5), bei dem ein Feinbearbeitungswerkzeug innerhalb der Zylinderbohrung (5) axial beweglich und um seine Werkzeugachse rotierend angetrieben wird und eine an dem Feinbearbeitungswerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung einer Innenfläche der Zylinderbohrung (5) mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt wird und während des Feinbearbeitungsvorgangs eine Deformationskraft in das die Zylinderbohrung enthaltende Werkstück eingeleitet wird, um eine elastische Deformation der Zylinderbohrung (5) und somit eine vorgebbare, zumindest abschnittsweise Veränderung einer Geometrie der Zylinderbohrung (5) für die Bearbeitung hervorzurufen, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Deformationskraft eine Hauptkraftkomponente aufweist, die in radialer Richtung orthogonal zu einer Mittelachse (6) der Zylinderbohrung (5) ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Mittelachse (6) und/oder entlang des Bohrungsumfangs der Zylinderbohrung (5) an mehreren Stellen Deformationskräfte, insbesondere mit unterschiedlichem Betrag und/oder unterschiedlicher Richtung, eingeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Deformationskraft während der Feinbearbeitung der Zylinderbohrung (5), insbesondere in Abhängigkeit vom durchgeführten Bearbeitungsschritt in Betrag und/oder Richtung variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine kraftabhängige oder wegabhängige Steuerung oder Regelung der Deformationskräfte vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Deformationskräfte an zumindest einer benachbart zur Zylinderbohrung (5) angeordneten Ausnehmung (3, 24) eingeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung in Radialrichtung derart aufgeweitet wird, dass eine Verformung der Zylinderbohrung resultiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über den Bohrungsumfang eine im Wesentlichen gleichartige Mikrostruktur, bevorzugt eine im Wesentlichen konstante Rautiefe hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feinbearbeitung bei mindestens einem Bearbeitungsschritt ein Honwerkzeug verwendet wird.
Deformationseinrichtung (1, 38) zur Deformation einer Zylinderbohrung (5) für einen Motorblock (4) während einer Bearbeitung einer Innenfläche der Zylinderbohrung mittels mindestens eines Feinbearbeitungswerkzeuges, gekennzeichnet durch zumindest ein Kraftübertragungselement (17, 20, 22, 25, 35, 39), das zur Einleitung einer Deformationskraft, deren Hauptkraftkomponente in radialer Richtung orthogonal zu einer Mittelachse der Zylinderbohrung (5) ausgerichtet ist, gestaltet ist.
Deformationseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement (17, 20, 22, 25, 35) für eine Einleitung der Deformationskraft als Druckkraft in eine der Zylinderbohrung (5) benachbarte Ausnehmung (3, 24), insbesondere in eine Bohrung oder in einen Kühlkanal, gestaltet ist.
Deformationseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement (17, 20, 22, 25, 35) für eine Einleitung paarig entgegengesetzt gerichteter Druckkräfte zur Aufweitung der Ausnehmung (3, 24) gestaltet ist.
Deformationseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement zumindest zwei zueinander relativbewegliche, insbesondere keilförmig gestaltete, Druckabschnitte (20) aufweist, die für die Aufweitung der Ausnehmung (3, 24) gestaltet sind.
Deformationseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement als Einlegeteil (35) für die Ausnehmung (3, 24) gestaltet ist, um ein fest vorgegebenes oder variables Druckprofil zur Beeinflussung einer Bohrungsgeometrie beim Honvorgang zu erzeugen.
Deformationseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil (35) zumindest eine Hohlkammer aufweist, die für eine Einleitung zumindest eines Druckmediums zur Variation der Geometrie der Druckprofilierung vorgesehen ist.
Deformationseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kraftübertragungselement (17, 20, 22, 25, 35) zumindest eine Stelleinrichtung zugeordnet ist, die für eine, insbesondere hydraulische oder elektromechanische, Aufbringung von Fremdkräften ausgebildet ist.
Deformationseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kopplungseinrichtung zur Ankopplung an eine Spanneinrichtung, die zur Festlegung des Motorblocks (4) und zur Aufnahme von Bearbeitungskräften, die auf den Motorblock (4) während eines Feinbearbeitungsvorgangs einwirken gestaltet ist, vorgesehen ist.
Deformationseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Spannbuchse (38) zur Deformation einer Zylinderlaufbuchse (40) umfasst, wobei die Spannbuchse einen in Umfangsrichtung weitgehend oder vollständig geschlossenen, insbesondere ringartigen Grundkörper aufweist, an dem zumindest ein Kraftübertragungselement zur Einleitung einer Deformationskraft am Umfang der Zylinderlaufbuchse angebracht ist, wobei das Kraftübertragungselement für eine Aufbringung der Deformationskräfte mit einer Hauptkraftkomponente in radialer Richtung auf eine Mittelachse (6) der Zylinderbohrung (5) radial nach innen weisend an dem Grundkörper angeordnet ist.
Deformationseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Kraftübertragungselement (39) eine Verstelleinrichtung (43) zur Veränderung der Deformationskraft zugeordnet ist.
Deformationseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung als an einem Innenumfang des Grundkörpers zumindest teilweise umlaufend angeordnete, flexible Druckkammer (44) gestaltet ist, der insbesondere zumindest ein Kraftübertragungselement (39) zugeordnet ist.