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Die
Erfindung betrifft ein Feinbearbeitungsverfahren zum Feinbearbeiten
der Innenfläche mindestens einer Bohrung in einem Werkstück,
insbesondere zum Honen einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung
eines Zylinderblockes für eine Brennkraftmaschine. Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Feinbearbeitungsmaschine, die besonders
zur Durchführung des Feinbearbeitungsverfahrens ausgelegt
ist.
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Bei
der Herstellung von Zylinderblöcken von Brennkraftmaschinen
werden die Zylinderlaufflächen üblicherweise durch
geeignete Feinbearbeitungsverfahren, beispielsweise durch geeignete
Honverfahren, endbearbeitet, um eine gewünschte Bohrungsform
sowie die für die Zylinderlauffläche gewünschte Oberflächenmikrostruktur
zu erzeugen. Die Zylinderlaufflächen sollen im Betrieb
der Brennkraftmaschine optimal mit den am Kolben angebrachten Kolbenringen
zusammen wirken. Im Motorenbetrieb sollen die Kolbenringe sicherstellen,
dass der Bereich zwischen Kolbenring und Zylinderlauffläche
sauber abgedichtet wird. Kann diese Grundforderung nicht erfüllt
werden, so reagiert der Motor mit hohem Ölverbrauch und
Druckverlust durch „blow by" sowie Ölverbrauch
und Druckverlust durch „blow by" sowie gegebenenfalls mit
einem ungleichmäßigen Verschleiß der
Zylinderlauffläche. Eine klassische Forderung bei der Endbearbeitung
von Zylinderlaufbahnen ist daher die Erzeugung eines möglichst
geringen Zylinderformfehlers, der typischerweise unterhalb von 10 μm
liegen sollte.
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Auch
wenn unmittelbar im Anschluss an die Endbearbeitung keine wesentlichen
Formfehler vorhanden sind, geht oftmals nach der Montage oder im Betrieb
des bearbeiteten Werkstückes die einsatzoptimale Bauteilgeometrie
durch elastische Deformationen verloren. Beispielsweise ist es bekannt,
dass die Montage des Zylinderkopfes auf einem Zylinderblock (Motorblock)
zu einer statischen Deformation der Zylinderbohrungen vor allem
im Bereich der Zylinderkopfschrauben führen kann. Hierdurch
erzeugte Zylinderformfehler können im Bereich zwischen
ca. 30 und 60 μm liegen. Im späteren Motorenbetrieb
können neben den statischen Kräften noch dynamische Kräfte
durch die Verbrennungsdrücke sowie thermische Deformationen
hinzukommen.
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Steigende
Verbrennungsdrücke, die zur Steigerung der Leistungsdichte
von Brennkraftmotoren genutzt werden, führen zudem zu einem
Anstieg der Schraubenkräfte, mit denen der Zylinderkopf
gegen den Zylinderblock gepresst wird. Aus diesen steigenden Schraubenkräften
resultieren wiederum verstärkte Deformationen der Zylinderbohrungen
nach Montage des Zylinderkopfes.
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Um
unter diesen Bedingungen eine ausreichende Abdichtung der Zylinderlaufflächen
durch die Kolbenringe zu erreichen, kann die Kolbenringgeometrie
der verspannten Bohrungsform angepasst werden. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, die Anpresskräfte zu erhöhen, mit
denen die Kolbenringe an die Zylinderlauffläche gepresst
werden. Eine Erhöhung der Anpresskräfte ist jedoch
mit einer Erhöhung der Reibungsver luste während
des Motorenbetriebes verbunden und daher nur begrenzt sinnvoll.
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Zur
Vermeidung dieser Probleme sind schon verschiedene Verfahren vorgeschlagen
worden, die es ermöglichen, durch eine Feinbearbeitung
eine Negativform der deformierten Bohrung zu erzeugen. Im Falle
von Zylinderbohrungen kann es sich dabei um eine von der Zylinderform
signifikant abweichende Bohrungsform mit einem Zylindrizitätsfehler
deutlich größer als 20 μm handeln, die
durch die bei der späteren Montage und im Betrieb auftretende
Deformationen dann so verändert wird, dass im Betriebszustand
des Motors die Bohrung zumindest annähernd die gewünschte
kreiszylindrische Form mit geringem Zylindrizitätsfehler
hat. In dieser Bohrung mit geringem Zylinderformfehler können
die Kolbenringe dann gut abdichtend und mit geringem Verschleiß an
der Zylinderlauffläche anliegen.
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In
der Dissertationsschrift „Variables Formhonen durch
rechnergestützte Honprozesssteuerung" von R. Zurrin, veröffentlich
in: wbk-Forschungsberichte aus dem Institut für Werkzeugmaschinen und
Betriebstechnik der Universität Karlsruhe, Band 26 (1990) wird
vorgeschlagen, die Negativform der verspannten Zylinderbohrung durch
das Fertigungsverfahren „Formhonen" zu erzeugen. Darunter
wird in dieser Schrift ein Honen mit gesteuerter Vorschubsbewegung
verstanden, das es erlaubt, örtlich (hub- und winkellagenabhängig)
verschiedene Abtragsraten während des Honprozesses zu erreichen, um
eine Negativform der Verformungen mit einer definierten Oberfläche
zu erzeugen. Die unrunde Bohrungsform wird durch Steuerung der Zustellkraft
bzw. des Anpressdrucks eines einfach aufweitenden Honwerkzeuges über
den Hub und den Drehwinkel erreicht.
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Eine
alternative Möglichkeit zur Erzeugung von nicht-kreiszylindrischen
Bohrungsformen mit einer definierten Negativform besteht darin,
das Werkstück für die Feinbearbeitung mit Hilfe
mindestens eines mit dem Werkstück verspannbaren Verspannungselementes
in einen definierten Verspannungszustand zu bringen, der im Wesentlichen
dem Verspannungszustand im Betrieb des Werkstückes entspricht,
und das verspannte Werkzeug dann der Feinbearbeitung zu unterziehen.
So ist beispielsweise in der
DE 28 10 322 C2 vorgeschlagen worden, die
Negativform der Deformation einer Zylinderbohrung dadurch zu erzeugen,
dass der Motorblock für eine Honbearbeitung mit Hilfe einer
Verspannungseinrichtung deformiert wird, die die spätere
Deformation durch den Zylinderkopf simuliert. In dem verspannten
Zustand, der dem später bei der Montage vorliegenden Zustand
entspricht, findet die Honbearbeitung statt, die zu einer kreiszylindrischen
Bohrungsform führt. Danach wird die Verspannung gelöst.
Ein ähnlicher Vorschlag ist in der
JP 11-267960 beschrieben. Die Verspannungseinrichtung
wird häufig als „Honbrille" bezeichnet.
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Bei
manchen Verfahrensvarianten wird die Verspannungseinrichtung mit
Hilfe der Original-Zylinderkopfschrauben auf den Motorblock geschraubt, bevor
die Honbearbeitung beginnt. Ein Vorteil dieser Lösung kann
darin bestehen, dass die Zylinderkopfschrauben nach einmaliger Verwendung
zum Verschrauben der Honbrille an die Montagelinie geführt werden
und dort zum Verschrauben des Zylinderkopfes bei der Endmontage
des Motors verwendet werden. Eine Alternative zur Verwendung der
Original-Zylinderkopfschrauben ist die Verwendung von Spezialschrauben,
die ausschließlich zum Verschrauben der Honbrille mit dem
Zylinderblock verwendet werden. Diese Spezialschrauben können mehrfach,
aber in der Regel nicht unbegrenzt, verwendet werden. Bei der Verwendung
von Schrauben aus höherfestem Material kann eine bleibende
Deformation der Spezialschrauben im Bereich der Streckgrenze in
der Regel verhindert werden. Häufig begrenzt jedoch die
Lebensdauer des Schraubengewindes die Verwendbarkeit der Spezialschrauben. Durch
die hohen Drehmomente beim Auf- und Abschrauben der Spezial schrauben
können die Gewinde verschleißen, so dass sie typischerweise
nach ca. 5 bis 20 Verwendungen aufgewechselt werden müssen.
Durch geeignete Maßnahmen in der Montage-/Demontagelinie
für die Honbrillen wird die Standzeit der Spezialschrauben
daher überwacht.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Feinbearbeitungsverfahren, bei
dem das Werkstück für die Feinbearbeitung unter
Verwendung mindestens eines mit dem Werkstück verspannbaren
Verspannungselementes in einen definierten Verspannungszustand gebracht
wird, derart weiter zu entwickeln, dass sich ein vereinfachter Verfahrensablauf
ergibt. Weiterhin soll die Reproduzierbarkeit des bei der Verspannung
erzeugten Verspannungszustandes verbessert werden. Schließlich
soll es auch möglich sein, komplexe Verspannungszustände
reproduzierbar mit geringem Aufwand einzustellen. Es ist eine weitere
Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens
geeignete Feinbearbeitungsmaschine bereitzustellen.
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Zur
Lösung dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung
ein Feinbearbeitungsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie
eine Feinbearbeitungsmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 15
bereit.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird
durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Feinbearbeitungsverfahren
zum Feinbearbeiten der Innenfläche mindestens einer Bohrung
in einem Werkstück, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen
bei der Herstellung eines Zylinderblockes für eine Brennkraftmaschine,
wird das Werkstück für die Feinbearbeitung mit
Hilfe mindestens eines mit dem Werkstück verspannbaren
Verspannungselementes einer Verspannungseinrichtung in einen definierten
Verspannungszustand gebracht. Hierzu wird das mindestens eine Verspannungselement
der Verspannungseinrichtung an dem Werkstück in einer Spannposition
derart angebracht, dass Schraubenöffnungen des Verspannungselements
mit Gewindebohrungen des Werkstückes fluchten. Vor, während
oder nach dem Anbringen des Verspannungselementes erfolgt ein Eindrehen
von Schrauben in die Gewindebohrungen des Werkstückes bis
zu einer Einschraubtiefe. Danach wird durch Betätigen von
den Schrauben zugeordneten Spanneinrichtungen eine auf das Werkstück
wirkende Spannkraftverteilung erzeugt. Wenn durch Betätigung
der Spanneinrichtungen die gewünschte Spannkraftverteilung
eingestellt ist, wird die Innenfläche der mindestens einen
Bohrung des auf diese Weise gezielt verspannten Werkstückes feinbearbeitet.
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Bei
diesem Verfahren brauchen die in die Gewindebohrungen des Werkstückes
eingeschraubten Schrauben lediglich als Widerlager für
die Spanneinrichtungen zu dienen. Die Spannkraft kann erzeugt werden,
ohne dass die Schrauben hierfür unter Last in die Gewindebohrung
weiter eingeschraubt werden müssen. Beim Einschraubvorgang
kann eine Schraube von Anfang bis Ende unverspannt bzw. im Wesentlichen
lastfrei sein, so dass das Schraubgewinde und der Schraubkopf bei
dem Eindrehvorgang praktisch keinem Verschleiß unterliegen.
Insbesondere können die Schrauben lastfrei in das Werkstück eingedreht
werden, bis die jeweils gewünschte Einschraubtiefe erreicht
ist. Erst nach dem Erreichen der Einschraubtiefe wird durch Betätigung
der Spanneinrichtung die gewünschte Axialkraft zum Spannen
des Werkstückes aufgebracht.
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Es
ist jedoch auch möglich, einen Teil der gewünschten
Gesamt-Spannkraft durch Eindrehen der Schrauben aufzubringen und
den Rest durch Betätigen der Spanneinrichtungen. Beispielsweise
könnte mit Hilfe der Schrauben eine gewisse, ggf. relativ
geringe Vorspannung aufgebracht werden, die dann durch Betätigung
der Spanneinrichtungen bis zur gewünschten Gesamt-Spannkraft
gesteigert wird. Auch hierdurch könnte die Gewinde geschont
werden.
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Vorzugsweise
werden nach Abschluss der Feinbearbeitung zunächst die
Spanneinrichtungen mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig
entspannt und danach werden die Schrauben aus den Gewindebohrungen
des Werkstückes herausgeschraubt. Dadurch sind die Schrauben
auch beim Ausschraubvorgang lastfrei, wodurch ein gewindeschonender
Ausschraubvorgang möglich ist.
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Das
Verfahren kann bei verschiedenen Feinbearbeitungsverfahren eingesetzt
werden, die an verspannten Werkstücken durchgeführt
werden sollen, um durch Materialabtrag und/oder mittels Materialumwandlung
tribologisch günstige Oberflächen zu erzeugen,
zum Beispiel beim Feindrehen (Feinbohren, Feinspindeln) oder beim
Schleifen von Bohrungen. Eine bevorzugte Anwendung ist das Honen
verspannter Werkstücke, insbesondere bei Werkstücken
für den Motorenbau. Diese Feinbearbeitungsverfahren können
miteinander und/oder mit anderen Oberflächenbearbeitungsverfahren
kombiniert sein, z. B. mit der Laserbearbeitung zur Strukturierung und/oder
Oberflächenbehandlung von Oberflächen.
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Eine
zur Durchführung des Verfahrens geeignete Feinbearbeitungsmaschine
zum Feinbearbeiten der Innenfläche mindestens einer Bohrung
in einem Werkstück, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen
bei der Herstellung eines Zylinderblockes für eine Brennkraftmaschine,
hat eine Verspannungseinrichtung mit mindestens einem mit dem Werkstück
verspannbaren Verspannungselement zur Verspannung des Werkstückes
während der Feinbearbeitung, wobei das Verspannungselement
Schraubenöffnungen für Schrauben hat, die zum
Zusammenwirken mit Gewindebohrungen des Werkstückes vorgesehen
sind. Mindestens einer Schraubenöffnung ist eine Spanneinrichtung
zugeordnet, die ein erstes Abstützelement zum Abstützen an
der zugeordneten Schraube, ein zweites Abstützelement zum
Abstützen an dem Verspannungselement sowie Spannmittel
zum Aufbau einer Druckspannung zwischen dem ersten und dem zweiten
Abstützelement hat.
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Die
den Schrauben zugeordneten Spanneinrichtungen bilden Einheiten,
die in der Lage sind, die Verspannung zwischen der zugeordneten
Schraube und dem Zylinderblock aufzubauen, ohne dass hierfür
die Schraube noch weiter eingedreht werden muss. Außerdem
sind die Spanneinrichtungen vorzugsweise in der Lage, diese Verspannungen
nach Abschluss des Bearbeitungsvorgangs wieder abzubauen, ohne dass
hierfür die Schrauben herausgedreht werden müssen.
Dementsprechend erfolgt das Herausdrehen der Schrauben vorzugsweise
erst nach dem Abbau der Verspannung.
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Ein
Vorteil dieser Verfahrensweise besteht in der Erhöhung
der Lebensdauer der Schraubengewinde, die sich vor allem durch das
weitgehend oder vollständig lastfreie Ein-/Ausdrehen der
Schrauben ergibt. Ein weiterer Vorteil wird deutlich, wenn die bei den
herkömmlichen Verfahren auftretenden Kräfte während
der Verspannung näher betrachtet werden. Beim herkömmlichen
Verspannen wird das von einem Schrauber aufgebrachte Drehmoment
in mindestens zwei Momente aufgeteilt, nämlich in das Schraubmoment
und in das Reibmoment am Kopf der Schraube. Das über die
zusammenwirkenden Gewinde vermittelte Schraubmoment führt
zur Ausbildung der in Axialrichtung der Schraube wirkenden Schraubenkraft,
die als Verspannkraft genutzt werden kann. Das Reibmoment am Kopf
der Schraube bildet sich zwischen dem Schraubenkopf und dem mit
Hilfe der Schraube zu verspannenden Verspannungselement oder einer
Unterlegscheibe oder dergleichen aus. Je nach Zustand der Reibflächen
an der Schraube und an dem entsprechenden Gegenelement kann am Schraubenkopf
mehr oder weniger Moment verloren gehen, sodass sich bei gleichem vom
Schrauber aufgebrachten Drehmoment eine mehr oder weniger große
Streuung der für die Verspannung nutzbaren Schraubenkräfte
ergibt. Da die Stärke der Verspannung bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren im Wesentlichen nur von der durch die Spanneinrichtung
aufgebrachten Spannkraft abhängt, nicht jedoch vom Reibmoment
zwischen Schraubenkopf und Schraubenauflage, ergibt sich eine Erhöhung
der Genauigkeit der Spannkraft an jeder einzelnen Schraube und damit
eine Erhöhung der Genauigkeit der gewünschten
Spannkraftverteilung.
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Bei
manchen Verfahrensvarianten wird zunächst das mindestens
eine Verspannungselement in die Spannposition gebracht und danach
werden die Schrauben durch die Schraubenöffnungen in die Gewindebohrungen
des Werkstückes eingeschraubt. Hierfür können
alle Schraubenöffnungen des Verspannungselementes als rundum
geschlossene Durchgangsöffnungen ausgebildet sein. Es ist
jedoch auch möglich, dass eine, mehrere oder alle Schraubenöffnungen
zu einer Seite offen sind, so dass das Verspannungselement gegebenenfalls
erst in seine Spannposition gebracht werden kann, wenn schon eine
oder mehrere der Schrauben in die zugehörigen Gewindebohrungen
eingeschraubt sind.
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Bei
manchen Ausführungsformen hat eine Schraube einen Gewindeabschnitt
zum Eindrehen in die Gewindebohrung und einen gegenüber
dem Gewindeabschnitt verbreiteten Schraubenkopf und das zum Abstützen
an der Schraube vorgesehene erste Abstützelement stützt
sich an einer Abstützfläche des Schraubenkopfes
ab. Bei der Abstützfläche kann es sich insbesondere
um eine wenigstens abschnittsweise plane Abstützfläche
handeln, die im Wesentlichen senkrecht zur Schraubenachse ausgerichtet sein
kann. Dadurch ist eine besonders wirksame Abstützung einer
parallel zur Axialrichtung der Schraube wirkenden Spannkraft der
Spanneinrichtung gewährleistet. Für die Abstützung
sind dann keine weiteren Hilfsmittel erforderlich.
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Viele
Ausführungsformen sind so ausgelegt, dass die Spanneinrichtung
eine Spannkraft erzeugt, die im Wesentlichen koaxial zu einer zentralen Schraubenachse
der Schraube wirkt. Die Schraube wird dadurch überwiegend
axial und weitgehend ohne Erzeugung von Kippmomenten belastet, so dass
bei Schonung der Schraube bei Bedarf sehr große Spannkräfte
erzeugt werden können.
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Bei
manchen Ausführungsformen sind an dem Verspannungselement
einige oder alle zum Spannen/Entspannen der Spanneinrichtungen genutzten
Elemente der Spanneinrichtungen vormontiert. Sie können
daher gemeinsam mit dem Verspannungselement in die Spannposition
gebracht bzw. daraus entfernt werden. Dadurch wird die Handhabung
vereinfacht, da weniger Teile gesondert bewegt werden müssen.
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Bei
manchen Ausführungsformen ist mindestens einer Spanneinrichtung
mindestens ein Anschlagselement zur Anschlagsbegrenzung der Einschraubtiefe
einer Schraube zugeordnet ist, wobei das Anschlagselement vorzugsweise
am Verspannungselement zwischen einer Anschlagsposition und einer
Ruheposition beweglich, insbesondere verschwenkbar gelagert ist.
Hierdurch kann auf einfache Weise die Einschraubtiefe der Schraube
genau vorgegeben werden, was insbesondere bei mit Federkraft arbeitenden
Spanneinrichtungen vorteilhaft sein kann und im Übrigen
den gesamten Bearbeitungsprozess beschleunigen kann.
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Es
gibt unterschiedliche Möglichkeiten, mit Hilfe der Spanneinrichtung
die für den Bereich der jeweiligen Schraube gewünschte
Spannkraft aufzubringen. Bei manchen Ausführungsformen
wird die im Bereich einer Schraube gewünschte Spannkraft unter
Verwendung mindestens einer Feder vorzugsweise vollmechanisch aufgebracht.
Solche Lösungen sind besonders robust und kostengünstig.
Es kann beispielsweise eine Spiraldruckfeder oder eine durch eine
oder mehrere Tellerfedern gebildete Feder vorgesehen sein, die die
Schraube umschließt und deren Spannkraft im Wesentlichen
koaxial mit der Schraubenachse wirkt. Hierdurch ist eine besonders schonende
Krafteinleitung möglich, wobei im verspannten Zustand die
Spannkraft ausschließlich durch die Federkraft der Feder
bestimmt sein kann. In diesem Fall kann die im Verspannungszustand
gewünschte Spannkraft auf einfache Weise durch Regulierung
der Einschraubtiefe der Schraube vorgegeben werden. Die mindestens
eine Feder kann zwischen dem ersten Abstützelement und
dem zweiten Abstützelement der Spanneinrichtung angeordnet sein
und im belasteten Zustand im Sinne einer Abstandsvergrößerung
der Abstützelemente wirken.
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Bei
manchen Ausführungsformen wird die im Bereich der Schraube
gewünschte Spannkraft bei mindestens einer der Spanneinrichtungen
hydraulisch erzeugt. Hierzu können das erste Abstützelement
und das zweite Abstützelement einer Spanneinrichtung als
gegeneinander verschiebbare Elemente eines Hydraulikzylinders gestaltet
sein. Es ist jedoch auch möglich, zusätzlich zum
ersten Abstützelement und zum zweiten Abstützelement
ein oder mehrere expandierbare Hydraulikelemente vorzusehen. Eine
hydraulische Betätigung einer Spanneinrichtung hat unter
anderem den Vorteil, dass die durch die Spanneinrichtung erzeugte
Spannkraft nicht von der Einschraubtiefe der Schraube abhängt, sondern über
die hydraulisch erzeugte Spannkraft gesteuert werden kann.
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Es
ist auch möglich, dass zwischen dem ersten Abstützelement
und dem zweiten Abstützelement der Spanneinrichtung mindestens
ein piezoelektrisches Element und/oder mindestens ein Pneumatikelement
und/oder mindestes ein elektromechanisches Element vorgesehen ist.
Es ist auch möglich, dass das erste Abstützelement
und das zweite Abstützelement einer Spanneinrichtung als
gegeneinander verschiebbare Elemente eines piezoelektrisches Element
oder eines Pneumatikele mentes oder eines elektromechanischen Elementes
gestaltet sind. Auch hierbei ist eine exakte Steuerung der Spannkraft
möglich.
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Bei
manchen Ausführungsformen wird die im Bereich der Schraube
gewünschte Spannkraft unter Verwendung mindestens einer
Hebeleinrichtung erzeugt. Eine Spanneinrichtung kann beispielsweise einen
außerhalb der Schraubenöffnung am Verspannungselement
kippbar gelagerten Umlenkhebel umfassen. Ein der Schraube zugeordneter
Hebelarm kann das erste Abstützelement der Spanneinrichtung bilden
oder an einem solchen Abstützelement angreifen. Über
den anderen Hebelarm kann die gewünschte Spannkraft auf
geeignete Weise angebracht werden, beispielsweise hydraulisch, pneumatisch,
mit Hilfe mindestens einer Feder oder auf andere Weise. Die Verspannung
mittels mindestens eines Umlenkhebels hat unter anderem den Vorteil,
dass ein gesteuerter Kraftangriffspunkt in geeignetem Abstand außerhalb
der Schraubenöffnung vorgesehen sein kann, wodurch Freiheitsgrade
bei der Konstruktion geschaffen werden.
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Bei
manchen Ausführungsformen wird die im Bereich der Schraube
gewünschte Spannkraft vollmechanisch durch Relativverschiebung
oder Relativverdrehung von zusammenwirkenden Keilelementen erzeugt.
Die Spannmittel können beispielsweise durch gegeneinander
verdrehbare Keilelemente gebildet sein, von denen eines am ersten
Abstützelement und eines am zweiten Abstützelement
der Spanneinrichtung angreift. Die Keilwirkung kann über geeignet
zusammenwirkende Schrägflächen erzeugt werden,
beispielsweise durch ein Paar von komplementären, ggf.
ebenen Schrägflächen oder über ein Gewinde.
Hierdurch sind einfach aufgebaute und robuste und in sich weitgehend
unelastische Spanneinrichtungen möglich, die eine genaue
Einstellung der gewünschten Spannkraft auch bei sehr großen Spannkräften
erlauben.
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Bei
manchen Ausführungsformen ist eine Messung der mit Hilfe
einer Spanneinrichtung im Bereich einer Schraube erzeugten Spannkraft
vorgesehen, um ein die Spannkraft repräsentierendes, z.
B. elektrisches Kraftmesssignal zu erzeugen. Eine entsprechende
Kraftmesseinrichtung kann einen Kraftmesssensor enthalten, der vorzugsweise
in eine Spanneinrichtung integriert ist und die von dieser erzeugte
Spannkraft misst. Der Kraftsensor kann beispielsweise durch eine
Kraftmessdose, einen Dehnmessstreifen oder vergleichbare Einrichtungen
gebildet sein.
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Bei
manchen Ausführungsformen wird ein durch eine Kraftmesseinrichtung
erzeugtes Kraftmesssignal zu einer Steuereinrichtung der zugehörigen
Spanneinrichtung zurückgeführt und die Steuereinrichtung
wird nach Maßgabe des Kraftmesssignals gesteuert, um die
durch die Spanneinrichtung erzeugte Spannkraft auf einen gewünschten
Wert einzustellen. Auf diese Weise ist somit eine geschlossene Regelschleife
möglich, die es erlaubt, die im Bereich einer Schraube
wirkende Spannkraft sehr präzise und unabhängig
von eventuellen Unterschieden zwischen verschiedenen Werkstücken
oder verschiedenen Schraubenpositionen einzustellen.
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Die
vorstehenden und weiteren Merkmale gehen außer aus den
Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen
hervor. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für
sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten
verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige
Ausführungsformen darstellen. Bevorzugte Ausführungsformen
werden an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer als Honmaschine ausgestalteten
Feinbearbeitungsmaschine, in die eine Verspannungs einrichtung zur
mechanischen Verspannung des zu bearbeitenden Werkstückes
während der Honbearbeitung integriert ist;
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2 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein plattenförmiges Verspannungselement
einer Ausführungsform einer Verspannungseinrichtung;
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3 zeigt
eine vergrößerte Detailansicht einer Verspannungseinrichtung
im Bereich einer Schraube mit zugehöriger Spanneinrichtung
und eine Reglungseinrichtung für die Spannkraft;
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4 zeigt
zwei Varianten einer Ausführungsform einer vollmechanischen
Spanneinrichtung mit einem Tellerfederpaket mit und ohne integrierten Anschlag;
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5 zeigt
eine Ausführungsform einer hydraulischen Spanneinrichtung;
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6 zeigt
eine Ausführungsform einer Spanneinrichtung, die einen
Umlenkhebel umfasst; und
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7 zeigt
eine Ausführungsform einer Spanneinrichtung mit gegeneinander
verdrehbaren Keilen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen werden im Folgenden beispielhaft anhand
einer als Honmaschine ausgelegten Feinbearbeitungsmaschine und einem
als Honverfahren ausgelegten Feinbearbeitungsverfahren erläutert.
Es sind auch Anwendungen bei anderen Feinbearbeitungsverfahren möglich,
z. B. beim Feinbohren oder beim Schleifen.
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In 1 ist
schematisch die Vorderansicht einer Honmaschine 100 gezeigt,
die zur Bearbeitung von Innenflächen von Bohrungen in Werkstü cken eingesetzt
werden kann, um eine oder mehrere Honoperationen an dem Werkstück
durchzuführen. Auf einem Maschinenbett 102 der
Honmaschine ist eine Aufspannplatte 104 befestigt, die
ein darauf aufgespanntes Werkstück 106 trägt,
bei dem es sich im Beispiel um einen Motorblock (Zylinderblock)
einer vierzylindrigen Brennkraftmaschine handelt. In dem Motorblock
sind mehrere Zylinderbohrungen 108 bis 111 mit
generell vertikaler Ausrichtung der Zylinderachse gebildet. Die
durch die Innenflächen 115 der Zylinderbohrungen
gebildeten Zylinderlaufflächen bzw. Zylinderlaufbahnen
werden auf der Honmaschine einer qualitätsbestimmten Endbearbeitung
unterzogen, bei der sowohl die Makroform der Zylinderlaufflächen,
als auch deren Oberflächentopografie bzw. Oberflächenstruktur
durch geeignete Honprozesse erzeugt werden.
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Bei
der zweispindligen Honmaschine sind auf einer nicht gezeigten portalartigen
Trägerkonstruktion zwei im Wesentlichen identisch aufgebaute Honeinheiten 120, 125 befestigt,
die abwechselnd oder gleichzeitig bei der Werkstückbearbeitung
eingesetzt werden können. Jede Honeinheit hat einen an
der Trägerkonstruktion befestigten Spindelkasten 122,
der die Honspindel 130 führt. Die Honspindel lässt
sich mit Hilfe eines am Spindelkasten befestigten Spindelmotors
um ihre Längsachse drehen. An das untere Ende der Honspindel
ist eine Gelenkstange 131 angekoppelt, an deren unteres,
freies Ende das als Bearbeitungswerkzeug dienende Honwerkzeug 140 begrenzt
beweglich mechanisch angekoppelt ist. Ein an dem Spindelkasten montierter
Hubantrieb bewirkt die vertikale Axialbewegung der Honspindel beim
Einführen des Werkzeuges in das Werkstück bzw.
beim Herausziehen aus dem Werkstück und wird während
der Honbearbeitung so angesteuert, dass das Honwerkzeug innerhalb
der Bohrung des Werkstückes eine vertikale Hin- und Herbewegung
ausführt, die sich der durch den Spindelmotor erzeugten
Drehbewegung der Spindel um ihre Längsachse überlagert.
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Wie
besonders in der Draufsicht von 2 erkennbar,
sind von der ebenen Oberseite des Zylinderblockes her mit Innengewinde
versehene Gewindebohrungen 119 achsparallel zu den Zylinderbohrungen
so angebracht, dass jeweils vier dieser Gewindebohrungen gleichmäßig
um den Umfang einer Zylinderbohrung verteilt sind. Die Gewindebohrungen 119 dienen
zur Aufnahme von Zylinderkopfschrauben, mit deren Hilfe nach Fertigstellung
der Bearbeitung des Zylinderblockes der zugehörige Zylinderkopf
auf den Zylinderblock 106 unter Zwischenlage einer Zylinderkopfdichtung
aufgeschraubt und mit diesen verspannt wird.
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Die
Honmaschine
100 umfasst eine Verspannungseinrichtung
150,
die dafür konstruiert ist, den zu bearbeitenden Zylinderblock
106 während
der Honbearbeitung in einen Verspannungszustand mit definierter
mechanischer Deformation zu bringen, der im Wesentlichen dem Verspannungszustand
des Motorblocks im späteren Betrieb des Motors, d. h. bei aufgeschraubtem
Zylinderkopf und gegebenenfalls aufgewärmten Motorblock
entspricht. Mit Hilfe der Verspannungseinrichtung ist es somit möglich,
die spätere Deformation durch den Zylinderkopf für
die Honbearbeitung zu simulieren. Eine hierfür geeignete
Verspannungseinrichtung, die in der Praxis auch als „Honbrille"
bezeichnet wird, ist in der
DE
28 10 322 C2 beschrieben.
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Die
Verspannungseinrichtung umfasst vier auf der Aufspannplatte 104 befestigte,
stabile, verwindungssteife Stützen 152 bis 155,
die ein Verspannungselement 160 in Form einer kräftigen,
möglichst verwindungssteifen planparallelen Stahl-Platte
mit rechteckiger Grundform tragen (vergl. 2). Die Stützen
greifen an den vier Ecken des Verspannungselementes an und sind
mit diesem dort verschraubt. Das Verspannungselement bildet somit den
oberen Träger einer Brücke oder eines Tunnels.
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Das
Verspannungselement 160 hat kreiszylindrische Durchbrüche 162,
deren Durchmesser geringfügig größer
als der Durchmesser der Zylinderbohrungen ist und die mit den zu
bearbeitenden Zylinderbohrungen fluchten, wenn das Verspannungselement
in der Spannposition befestigt ist. Entsprechend der Verteilung
der Gewindebohrungen 119 für die Zylinderkopfschrauben
sind an dem Verspannungselement um die Durchbrüche 162 herum
von oben nach unten durchgehende Schraubenöffnungen 165 vorgesehen,
deren Durchmesser größer ist als der Gewindedurchmesser
der in die Gewindebohrungen 119 passenden Schrauben 170.
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Bei
bekannten Verspannungseinrichtungen dieser Art wurde das Verspannungselement
mit Hilfe einer Original-Zylinderschraube oder einer entsprechenden
Spezialschraube direkt mit dem Motorblock verschraubt, so dass die
von der Schraube aufgebrachte Spannkraft beim Eindrehen der Schraube über
den gegenüber dem Gewindeabschnitt verbreiterten Schraubenkopf
direkt oder mittels einer Unterlegscheibe auf die dem Werkstück
abgewandte Oberseite des Verspannungselementes übertragen wurde.
Bei diesem klassischen Verspannen wird das vom Schrauber aufgebrachte
Drehmoment aufgeteilt auf ein Reibmoment zwischen Schraubenkopf
und Verspannungselement bzw. Unterlegscheibe und einem Schraubmoment,
welches zur Ausbildung der axialen Schraubenkraft führt,
die das Verspannungselement schließlich im Bereich der
Schraube auf das Werkstück presst. Je nach Zustand der
Reibflächen an der Schraube und an dem Verspannungselement bzw.
der Unterlegscheibe konnte am Kopf der Schraube mehr oder weniger
Moment verloren gehen, so dass es im Ergebnis zu einer Streuung
der Schraubenkräfte und damit gegebenenfalls zu einer nicht
völlig exakten Einstellung der gewünschten Spannkraftverteilung
kommen konnte. Diese Probleme können durch die Erfindung
vermieden werden.
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Wie
besonders aus 3 erkennbar ist, ist bei der
Ausführungsform für jede der bei der Verspannung
verwendeten Schrauben 170 eine der Schraube zugeordnete
Spanneinrichtung 180 vorgesehen, die den Kraftfluss zwischen
Schraube 170 und Verspannungselement 160 vermittelt.
Jede Schraube 170 hat einen Gewindeabschnitt 171 zum Eindrehen
in die Gewindebohrung 119 und einen gegenüber
dem Gewindeabschnitt verbreiterten Schraubenkopf 172, der
im Beispielsfall an seinem dem Gewindeabschnitt zugewandten Ende
eine senkrecht zur Schraubenachse ausgerichtete, verbreiterte, plane
Abstützfläche bietet. Die Spanneinrichtung 180 hat
ein erstes Abstützelement 181, das sich bei belasteter
Spanneinrichtung an der planen Abstützfläche des
Schraubenkopfs 172 abstützt, sowie ein zweites
Abstützelement 182, das zum Abstützen
auf der Oberfläche des Verspannungselementes 160 (oder
einer Unterlegscheibe o. dgl.) vorgesehen ist. Zwischen den Abstützelementen
sind Spannmittel 185 zum Aufbau einer Druckspannung zwischen dem
ersten und dem zweiten Abstützelement 181, 182 vorgesehen.
Eine Auswahl verschiedener Möglichkeiten zur Realisierung
der Spannmittel wird im Zusammenhang mit 4 bis 7 näher
erläutert.
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Die
Spannmittel 185 werden mit Hilfe einer Steuereinrichtung 190 angesteuert,
die es im Beispielsfall erlaubt, die zwischen den Abstützelementen 181, 182 wirkende
Druckspannung stufenlos einzustellen. Eine Kraftmesseinrichtung 192 umfasst
einen an der Spanneinrichtung 180 angebrachten Kraftsensor,
beispielsweise eine Kraftmessdose oder einen Dehnungsmessstreifen,
der ein die Spannkraft repräsentierendes, elektrisches
Kraftmesssignal erzeugt, welches zur Steuereinrichtung 190 zurückgeführt
wird. Auf diese Weise ist ein geschlossener Regelkreis geschaffen,
der es erlaubt, die mit Hilfe der Spanneinrichtung 180 erzeugte,
zwischen dem Schraubenkopf und dem Verspannungselement 160 wirkende
Spannkraft gezielt auf einen gewünschten Wert einzustellen.
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Unter
Verwendung dieser Verspannungseinrichtung kann die Honbearbeitung
in einem verspannten Werkstück wie folgt durchgeführt
werden. Zunächst wird das Verspannungselement 160 der Verspannungseinrichtung 150 an
dem Werkstück 106 in einer Spannposition derart
angebracht, dass die Schraubenöffnungen 165 des
Verspannungselementes mit Gewindebohrungen 119 des Werkstückes
fluchten (2). Wenn die den Schrauben bzw. den
Schraubenöffnungen zugeordneten Spanneinrichtungen bereits
mit dem Verspannungselement 160 durch Anschrauben oder
auf andere Weise fest verbunden sind, befinden sich die Spannungseinrichtungen
bereits in ihrer Arbeitsposition. Es ist jedoch auch möglich,
gesonderte Spannungseinrichtungen vorzusehen, die nach Aufsetzen
des Verspannungselementes 160 getrennt von diesem im Bereich
der Schraubenöffnungen 165 angebracht werden.
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Nachdem
das Verspannungselement in der Spannposition und die Spanneinrichtungen
im Bereich der zugeordneten Schraubenbohrungen angebracht sind,
werden die Schrauben 170 in die Gewindebohrungen 119 bis
zu einer vorgebbaren Einschraubtiefe eingeschraubt, wobei in der
vorgesehenen Einschraubtiefe ein durch die Dimensionierung der Spanneinrichtung
bestimmter Abstand zwischen dem Schraubenkopf und der dem Schraubenkopf
zugewandten Oberseite des Verspannungselementes 160 verbleibt.
Da beim Einschrauben der Schrauben noch kein Berührungskontakt
zwischen der Spanneinrichtung und dem Schraubenkopf erforderlich
ist, kann die Schraube von Anfang bis Ende des Einschraubvorganges
unverspannt bzw. lastfrei sein, sodass das Schraubgewinde und der
Schraubkopf bei dem Eindrehvorgang praktisch keinem Verschleiß unterliegen.
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Erst
nach Abschluss des Eindrehvorganges wird die auf das Werkstück
wirkende Spannkraftverteilung durch Betätigen der Spanneinrichtungen
aufgebaut. Dabei wird die Spannung ausschließlich durch
die mit Hilfe der Spannmittel 185 erzeugte Druckspannung
aufgebaut. Bei diesem Verfahren dienen somit die in die Gewindebohrungen
eingeschraubten Schrauben lediglich als Widerlager für die
Spanneinrichtungen, da die gewünschte Spannkraft nicht
durch Eindrehen oder Herausdrehen der Spannschraube unter Last eingestellt
werden muss. Die Genauigkeit der Einstellung der Spannkraft hängt somit
nicht von nur schwer kontrollierbaren Reibungsverlusten zwischen
Schraube 170 und Verspannungselement 160 bzw.
Werkstück 106 ab. Diese Reibungsarmut des Verspannungsvorganges trägt
dazu bei, dass Verspannungen wesentlich genauer als bisher eingestellt
werden können und es kann vermieden werden, dass die Schrauben
bis in den Bereich der plastischen Deformation belastet werden.
Dadurch können für die Verspannung mit Hilfe der
Verspannungseinrichtung normale Standardschrauben verwendet werden.
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Im
Beispielsfall ist jeder Schraubenöffnung genau eine Spanneinrichtung
zugeordnet. Die Spannkraft kann selbstverständlich für
jede Spanneinrichtung gesondert auf einen am Ort der Spanneinrichtung
gewünschten Wert eingestellt werden, wobei diese lokalen
Werte der Verspannungskraft im Wesentlichen gleich, aber durchaus
auch stark unterschiedlich sein können, um eine gewünschte
Spannkraftverteilung am Werkstück einzustellen. Es ist
jedoch auch möglich, nur einen Teil der Schraubenöffnungen
mit einer Spanneinrichtung auszustatten.
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Nachdem
die gewünschte Spannkraftverteilung eingestellt ist, werden
die Zylinderbohrungen in an sich bekannter Weise mit Hilfe der Honwerkzeuge 140 gehont,
bis die Zylinderbohrungen die gewünschte Zylinderform und
Oberflächenstruktur haben. In der Regel wird der Honprozeß so
durchgeführt, dass die Zylinderbohrungen im verspannten Zustand
einen sehr kleinen Zylindrizitätsfehler, typischerweise
von weniger als 10 μm, haben. Dadurch wird sicher gestellt,
dass auch im späteren Motorenbetrieb, wenn der Zylinderkopf
auf dem Motorblock aufgeschraubt und mit diesem verspannt ist, die
Zylinderbohrungen wieder eine weitgehend kreiszylindrische Bohrungsform
haben, die bei guter Abdichtung einen verschleißfreien,
reibungsarmen Lauf der Kolbenringen in den Zylinderbohrungen ermöglichen.
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Nach
Abschluss der Honbearbeitung werden die Honwerkzeuge aus den gehonten
Bohrungen herausgefahren und das Werkstück wird entspannt.
Vor dem Entspannen kann, ggf. auf einer separaten Messstation, ein
Nachmessen von Durchmesser und/oder Bohrungsform erfolgen. Zum Entspanen werden
vorteilhafterweise die Spanneinrichtungen zunächst vollständig
entspannt, indem die Spannmittel 185 derart betätigt
oder angesteuert werden, dass die Druckspannung zwischen den Abstützelementen 181, 182 vollständig
abgebaut wird. Erst danach werden die Schrauben aus den Gewindebohrungen
des Werkstückes herausgeschraubt. Diese Vorgehensweise
stellt sicher, dass die Schrauben auch beim Ausschraubvorgang lastfrei
sind, was der Schonung der Schrauben und des Werkstückes
dient.
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In
dem entspannten Werkstück liegen nach dieser Bearbeitung
in der Regel Bohrungen vor, deren Makroform erheblich von einer
Zylinderform abweichen kann. Durch den Verspannungsvorgang wird
erreicht, dass eine nicht-kreiszylindrische Negativform vorliegt,
die sich im Betriebszustand des Motorblockes bei aufgeschraubtem
Zylinderkopf wieder in eine weitgehend kreiszylindrische Bohrungsform deformiert.
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Bei
der Bearbeitung von Motorblöcken bzw. Kurbelgehäusen
werden diese üblicherweise in Indexpunkten an der Bearbeitungsstation
aufgenommen. Ein neues Kurbelgehäuse hat in der Regel neue Indexpunkte,
so dass die maschinenseitigen Aufnahmepunkte zur Aufnahme neuer
Werkstücke in ihrer jeweiligen Bearbeitungsposition angepasst
werden müssen. Daher werden speziell bei flexiblen Honmaschinen üblicherweise
Paletten verwendet, auf denen die Werkstücke vor dem Einlauf
in die Bearbeitungslinie befestigt werden. Diese Paletten sind spezifisch auf
die Aufnahmepunkte der jeweiligen Motorblöcke angepasst,
alle Paletten werden jedoch in gleicher Weise auf der Bearbeitungsstation
aufgenommen, so dass die erwünschte Flexibilität
der Werkstückspannung durch die als Adapter wirkenden Paletten
sichergestellt ist.
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Bei
einer Variante des Honverfahrens wird die Verspannungseinrichtung 150 zusätzlich
zu ihrer Verspannungsfunktion auch noch als „Transportpalette"
für die bearbeiteten Motorblöcke verwendet. Hierzu
bleibt das jeweilige Werkstück zunächst nach Abschluss
der Honbearbeitung mit der Verspannungseinrichtung verbunden und
die Verspannungseinrichtung wird gemeinsam mit dem Werkstück
aus der Bearbeitungsstation zu nachfolgenden Stationen weiterbewegt.
Das nachfolgende Werkstück kann bereits außerhalb
der Bearbeitungsstation mit der entsprechenden Verspannungseinrichtung
verspannt werden und gemeinsam mit der Verspannungseinrichtung in
die Bearbeitungsposition der Honmaschine gebracht werden. Diese
Möglichkeit kann ggf. auch bei herkömmlichen Verspannungseinrichtungen
genutzt werden.
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Nachfolgend
werden verschiedene Varianten von Spanneinrichtungen beschrieben,
die bei unterschiedlichen Ausführungsformen einheitlich
oder in Kombination verwendet werden können.
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Die
in 4 gezeigte Spanneinrichtung 480 ist als
einfach und robust ausgestaltete, vollmechanische Spanneinrichtung
ausgelegt. Das zum Abstützen am Schraubenkopf 172 vorgesehene
erste Abstützelement 481 hat die Form einer einseitig
offenen Hülse, die an ihrer dem Schraubenkopf zugewendeten
Seite durch eine Stirnplatte abgeschlossen ist, welche eine Durchlassöffnung 483 für
den Gewindeabschnitt der Schraube 170 hat. Die zum Abstützen an
dem Verspannungselement 160 vorgesehene zweite Abstützeinrichtung 482 hat
die Form einer flachen Scheibe, deren Außendurchmesser
etwas geringer ist als der Innendurchmesser der Hülse 481. Die
Scheibe hat ebenfalls eine zentrale Durchgangsöffnung für
den Gewindeabschnitt der Schraube. Zwischen den Abstützelementen 481, 482 ist
als Spannmittel ein Tellerfederpaket 485 vorgesehen, das
sich schraubenseitig an der Innenseite der Stirnplatte der Hülse 481 und
werkstückseitig an der Scheibe 482 abstützt.
Das Paket von Tellerfedern hat ebenfalls eine zentrale Durchgangsöffnung
für den Gewindeabschnitt der Schraube.
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Für
den Verspannungsvorgang wird zunächst das mit der Spanneinrichtung 480 versehene Verspannungselement 160 auf
das Werkstück 106 in der vorgesehenen Spannposition
aufgebracht, in der die Schraubenöffnung 165 mit
der Gewindebohrung 119 fluchtet. Danach wird mit Hilfe
einer externen, im Wesentlichen parallel zur Schraubenachse wirkenden
Kraft F über die Hülse 481 wirkend die
Spanneinrichtung 480 gegen die Kraft der als Spannmittel
dienenden Feder 485 axial zusammengedrückt. Währenddessen
oder danach wird die Schraube 170 durch die Spanneinrichtung
hindurch in die Gewindebohrung eingeschraubt bis zu einer Einschraubtiefe, bei
der die dem Gewinde zugewandte Abstützfläche des
Schraubenkopfes gerade auf der zugewandten Stirnseite der Hülse 481 aufliegt.
Hat die Schraube die Einschraubtiefe erreicht, so wird die externe
Kraft F weggenommen. Bei diesem Vorgang wird mittels des Tellerfederpaketes
zwischen dem zweiten Abstützelements 482 und dem
ersten Abstützelement 481 eine koaxial zur zentralen
Schraubenachse 175 wirkende Druckspannung aufgebaut, deren
Größe im Wesentlichen durch die Federkonstante
des Federpaketes 485 und den durch die Einschraubtiefe
der Schraube vorgegebenen Abstand zwischen den einander zugewandten
Abstandflächen des ersten und des zweiten Abstandselementes
bestimmt wird. Die Einschraubtiefe wiederum ist bei dieser Variante
abhängig von der externen Kraft F, die beim Zusammendrücken
der Feder wirkt, so dass die Einstellung der Spannkraft im Wesentlichen
kraftgesteuert über die externe Kraft F erfolgt. Mit dieser
Druckkraft drückt die Spanneinrichtung einerseits auf den
als Widerlager wirkenden Schraubenkopf und andererseits auf das
Verspan nungselement 160, welches das Werkstück 106 entsprechend
belastet. Über die Variation der vorgebbaren Einschraubtiefe
(die sich in Abhängigkeit von der externen Kraft F einstellt) und/oder über
die Bereitstellung unterschiedlicher Federn 485 kann die
von dieser Spanneinrichtung aufgebrachte Spannkraft gezielt eingestellt
werden. Nach Abschluss der Honbearbeitung wird zunächst die
Spanneinrichtung mit Hilfe einer entsprechenden Axialkraft F wieder
zusammengedrückt, wodurch die Schraube 170 entlastet
wird. Diese kann danach im Wesentlichen lastfrei und gewindeschonend
ausgeschraubt werden.
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Die
obige Variante ist in der linken Teilfigur von 4 (links
von der zentralen Schraubenachse 175) gezeigt. Eine Variante
dieser Spanneinrichtung ist in der rechten Hälfte von 4 gezeigt.
Hier ist der Spanneinrichtung ein mechanisches Anschlagselement 488 zur
Anschlagsbegrenzung der Einschraubtiefe der Schraube 170 zugeordnet.
Das Anschlagselement hat die Form einer das Schraubengewinde umschließenden
Hülse, die sich auf der Seite des Verspannungselementes
an einer durch eine Durchmessererweiterung der Gewindebohrung gebildeten
Stufe abstützt. Zunächst wird die Feder mit einer
externen Kraft F zusammengedrückt, die größer
ist als die am Ort der Schraube gewünschte Spannkraft.
Dann wird die Schraube eingedreht, bis der Schraubenkopf am oberen
Ende der Anschlagshülse 488 anschlägt.
Hierdurch kann auf einfache Weise die Einschraubtiefe der Schraube
genau vorgegeben werden. Beim Entlasten stellt sich die Feder somit
auf eine exakt vorgegebene Länge zurück, die zusammen
mit der Federkonstante die Größe der wirksamen
Druckspannung bestimmt. Auf diese Weise kann die gewünschte
Spannkraft weggesteuert erzeugt werden.
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Da
ein Zylinderkopf mit mehr als einer Schraube am Kurbelgehäuse
(Zylinderblock) befestigt wird, besteht auch die Möglichkeit,
zum vereinfachten Handling das Verspannelement mit den Abstützelementen
und Fe dern in einer Verspannvorrichtung unterzubringen. Bei einer
solchen Konstruktion besteht die Möglichkeit, durch Entlasten
oder Aufbringen der Kraft F alle Schrauben gleichzeitig zu spannen
oder zu entspannen. Auf einer solchen Vorrichtung kann zugleich
ein wegklappbarer Anschlag für die Schrauben angebracht
sein. Dieser Anschlag stellt eine festgelegte Einschraubtiefe der
Schrauben sicher. Nach dem Erreichen der Einschraubtiefe kann der
Anschlag vor dem Aktivieren der Spannkräfte weggedreht
werden. In der oben beschriebenen Ausführung ist der Schraubenanschlag
fest in der Spanneinrichtung in Form einer inneren Hülse
integriert. Die Schrauben werden auf Anschlag eingedreht bis durch
die Anschlagshülse das Drehmoment ansteigt und damit der
Schraubvorgang beendet wird.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer hydraulischen Spanneinrichtung 580.
Diese hat einen Außenzylinder 582 und einen gegenüber
dem Außenzylinder abgedichteten Innenzylinder 583,
an dem auf der Seite des Schraubenkopfes eine Abstützplatte 581 befestigt
ist. Die hydraulische Spanneinrichtung 580 kann zentriert
zur Längsachse der Schraube 170 angeordnet werden,
wozu die entsprechenden Elemente zentrale Durchlassöffnungen
für den Gewindeabschnitt der Schraube haben. Die dem Schraubenkopf 172 zugewandte
Platte 581 dient als erstes Abstützelement der
Spanneinrichtung, während der Außenzylinder 582 direkt
an dem Verspannungselement 106 angreift und das zweite
Abstützelement bildet. Die zwischen die gegeneinander abgedichteten
Zylinder eingebrachte Hydraulikflüssigkeit dient in diesem
Fall als Spannmittel zum Aufbau einer achsparallel zur Schraube
wirkenden Druckspannung zwischen Schraubenkopf und Verspannungselement 160.
Bei dieser Ausführungsform ist die Spanneinrichtung 580 zunächst
druckfrei. Wenn das Verspannungselement mit aufgebrachter Spanneinrichtung
in die Spannposition gebracht worden ist, werden zunächst
die Schrauben 170 auf eine vorgebbare Einschraubtiefe eingeschraubt,
in der der Schraubenkopf gegebenenfalls noch einen geringeren Abstand
zum ers ten Abstützelement 581 hat oder mit nur
geringer Kraft an diesem anliegt. Sind alle Schrauben eingeschraubt,
werden die hydraulischen Spannvorrichtungen mit geeignetem Hydraulikdruck beaufschlagt,
wodurch das Verspannungselement 160 auf das Werkstück
gepresst wird. Auch hierbei dient die Schraube 170 lediglich
als Widerlager für die Spanneinrichtung. Nach Abschluss
der Honbearbeitung wird zunächst die hydraulische Spanneinrichtung 580 entlastet,
bevor die Schraube 170 ausgeschraubt wird. Bei diesen Ausführungsformen reicht
es aus, wenn die Schrauben 170 nur ungefähr in
eine vorgegebene Einschraubtiefe eingeschraubt werden, da die erzeugbare
Spannkraft nicht von der Einschraubtiefe abhängt, solange
nur der Schraubenkopf im Arbeitsbereich der hydraulischen Spanneinrichtung
sitzt. Als Hydraulikflüssigkeit kann ein ggf. bei der Bearbeitung
genutzter Kühlschmierstoff verwendet werden.
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In 6 ist
eine Spanneinrichtung 680 gezeigt, bei der die Verspannung
des Werkstückes mit Hilfe eines Umlenkhebels 686 bewirkt
wird, der in einem Lagerbock 682 um eine horizontale Achse
verschwenkbar gelagert ist und einen Teil der Spannmittel 685 bildet.
Der Lagerbock 682 ist mit Abstand außerhalb der
Schraubenöffnung 165 auf der dem Werkstück
abgewandten Oberseite des Verspannungselementes 160 befestigt
und dient als zweites Abstützelement der Spanneinrichtung 680.
Das der Schraube 170 zugeordnete Ende des Umlenkhebels wirkt
auf eine mit zentraler Durchgangsöffnung für die Schraube
versehene Platte 681, die als erstes Abstützelement
der Spanneinrichtung dient. Das gegenüberliegende Ende
des Umlenkhebels 686 dient als Angriffspunkt für
eine Krafterzeugungseinrichtung 688, die im Beispielsfall
einen Hydraulikzylinder umfasst, bei anderen Ausführungsformen
aber auch pneumatisch oder elektro-mechanisch oder vollmechanisch
mit Hilfe von Federn oder auf andere Weise arbeiten kann.
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Wird
diese Spanneinrichtung verwendet, so wird zunächst das
Verspannungselement 160 in der Spannposition am Werkstück
angebracht, wobei die Spanneinrichtung 680 völlig
entlastet ist und insbesondere die Krafterzeugungseinrichtung 688 noch nicht
mit Kraft am zugeordneten Ende des Hebels 686 angreift.
In diesem entspannten Zustand wird die Schraube 170 durch
die zentrale Öffnung des ersten Abstützelementes 681 und
die Schraubenöffnung 165 hindurch in die zugeordnete
Gewindebohrung des Werkstückes bis zu einer vorgebbaren
Einschraubtiefe im Wesentlichen lastfrei eingeschraubt. Danach wird
mit Hilfe der Krafterzeugungseinrichtung 688 eine z. B.
achsparallel zur Schraubenachse wirkende Kraft F aufgebracht, die
bewirkt, dass sich das gegenüberliegende Ende des Hebels 686 mit
der Abstützplatte 681 an die dem Gewindeabschnitt
zugewandte Abstützfläche des Schraubenkopfs 172 andrückt.
Bei dieser Variante liegt der durch den Lagerbock 682 gebildete
steuerbare Kraftangriffspunkt der Spanneinrichtung deutlich außerhalb
des Bereichs der Schraube 170, hier ist mehr Platz zur
Unterbringung der Elemente der Spanneinrichtung. Da die Platte (Verspannungselement) 160 in
der Regel sehr steif ist, wirkt sich die externe Lage des Krafteinleitungspunks
praktisch nicht auf die Größe der im Bereich der
Schraube gewünschte Spannkraft aus. Nach Abschluss der
Honbearbeitung wird zunächst die Spanneinrichtung 680 durch
Wegnahme der Kraft F entspannt, bevor die Schraube 170 im
Wesentlichen lastfrei aus der Gewindebohrung ausgeschraubt wird.
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In 7 ist
eine vollmechanische Spanneinrichtung 780 gezeigt, deren
Spannmittel 785 durch zwei gegeneinander verdrehbare Keilelemente 786, 787 gebildet
werden. Die Spanneinrichtung umfasst weiterhin eine mit Durchgangsöffnung
für die Schraube 170 versehene erste Platte 781,
die als erstes Abstützelement zum Abstützen am
Schraubenkopf 172 dient, sowie eine ebenfalls mit zentraler
Durchgangsöffnung für den Gewindeabschnitt der
Schraube versehene zweite Platte 782, die im betriebsfertig
aufgesetzten Zustand am Verspannungselement 160 anliegt.
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Die
Platten 781, 782 haben jeweils exzentrisch angeordnete
Durchgangsbohrungen, durch die ein in dem Verspannungselement 160 verankerter Passstift 790 hindurch
geführt ist, der als Verdrehsicherung dient und sicher
stellt, dass sich die Abstützelemente 781, 782 bei
Betätigung der Spannmittel 785 nicht gegeneinander
verdrehen. Das auf der Seite des Verspannungselementes 160 angebrachte Keilelement 787 ist
ebenfalls mittels eines Passstiftes 791 verdrehgesichert.
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Bei
Verwendung einer solchen Spanneinrichtung 780 werden zunächst
die Keilelemente 786, 787 so gegeneinander verdreht,
dass sich eine innerhalb des Arbeitsbereiches relativ geringe axiale
Gesamthöhe ergibt. Nachdem das Verspannungselement lagerichtig
zu dem Werkstück in Spannposition angebracht ist, werden
dann zunächst die Schrauben 170 durch die Spanneinrichtungen 780 hindurch
in die zugeordneten Gewindebohrungen des Werkstückes geschraubt,
bis eine vorgegebene Einschraubtiefe erreicht ist, bei der die dem
Gewindeabschnitt der Schraube zugeordnete ebene Abstützfläche
des Schraubenkopfes 172 noch einen geringen Abstand zum
zugewandten Abstützelement 781 hat oder mit nur
geringer Kraft an diesem anliegt. Dann wird durch Verdrehung des
oberen Keilelementes 786 gegenüber dem festgehaltenen
unteren Keilelement 787 die axiale Höhe der Spannmittel 785 verstellt,
wodurch das erste Abstützelement 781 mit einer
durch die Drehposition des Keilelementes 786 vorgebbaren, unelastischen
Kraft von unten an den Schraubenkopf angedrückt wird, der
auch hier lediglich als Widerlager für die Spanneinrichtung 780 dient.
Ist die gewünschte Spannkraft im Bereich der Schraube erreicht,
wird die Honbearbeitung durchgeführt. Danach wird durch
Zurückdrehen des oberen Keilelementes 786 zunächst
die Spanneinrichtung 780 entspannt, bevor die Schraube 170 ausgeschraubt
wird.
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In
der Regel ist es so, dass bei einer Verspannungseinrichtung bei
allen Schrauben der gleiche Typ von Spanneinrichtungen vorgesehen
ist. Es ist jedoch auch möglich, an unterschiedlichen Positionen
einer Verspannungseinrichtung nach unterschiedlichen Prinzipien
arbeitende Spanneinrichtungen vorzusehen.
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Abschließend
sei nochmals auf den Aspekt der Reibungsarmut erfindungsgemäßer
Verspannungseinrichtungen hingewiesen. Gewinde werden üblicherweise
unterschieden in Befestigungsgewinde (Haltegewinde) und Bewegungsgewinde.
Ein besonderes Merkmal der Haltegewinde, wozu auch M-Gewinde zählen,
ist ihr hoher Reibungsanteil im Gewinde. Dieser ist nötig,
damit sich das Gewinde auf keinen Fall löst. Da sich die
Schrauben zur Zylinderkopfbefestigung nicht lösen sollten,
werden hierbei üblicherweise M-Gewinde verwendet. Bei M-Gewinden teilt
sich das Anzugsmoment, mit dem am Schraubenkopf gedreht wird, in
drei Anteile auf, nämlich einen Anteil zur Verspannung
der Schraube (Wirkanteil), sowie in Reibung an der Kopfanlagefläche
und Reibung im Gewinde. In der Regel ist hierbei der Reibungsanteil
höher als der eigentliche Wirkanteil zum Verspannen der
Schraube. Zusätzlich kommt hinzu, daß die Reibung
hauptsächlich am Gewinde anfällt, also an dem
Ende der Schraube, welches dem eingeleiteten Moment am Schraubenkopf
genau gegenüberliegt.
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Reibung
ins naturgemäß starken Schwankungen unterworfen
(abhängig von Schmierung, Oberfläche usw), weshalb
bei den Anzugsmomenten normalerweise ein hoher Sicherheitszuschlag
vorgehalten werden muß bzw. über Drehwinkel angezogen wird.
Geht man davon aus, dass das Anzugsdrehmoment hauptsächlich
für die Überwindung der Reibung verwendet wird,
dann ist auch die Belastung der Schraube hauptsächlich
von Reibung verursacht. Die Spannung, die die Schraube in den elastich/plastischen
Grenzbereich bringt ist zusammengesetzt aus der Verspannung und
der Reibung.
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Wenn
es, wie bei bevorzugten Varianten der Erfindung, gelingt, die Verspannungseinrichtung
im wesentlichen ohne Reibung zu verspannen, dann sind auch die Schrauben
wiederverwendbar, weil die Hauptbelastung der Schrauben entfällt.
Ausserdem ist die Verspannung wesentlich besser reproduzierbar,
weil die Streuung durch Reibung entfällt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 2810322
C2 [0008, 0045]
- - JP 11-267960 [0008]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Variables
Formhonen durch rechnergestützte Honprozesssteuerung" von
R. Zurrin, veröffentlich in: wbk-Forschungsberichte aus
dem Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik
der Universität Karlsruhe, Band 26 (1990) [0007]