DE102007017800A1

DE102007017800A1 - Verfahren und Glättwerkzeug zum Feinarbeiten von Oberflächen

Info

Publication number: DE102007017800A1
Application number: DE102007017800A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Gruhler; Frieder Asser; Franz Weidinger
Original assignee: Mauser Werke Oberndorf Maschinenbau GmbH
Current assignee: Mauser Werke Oberndorf Maschinenbau GmbH
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2027-04-17
Also published as: DE102007017800B4

Abstract

Offenbart sind ein Verfahren und ein Glättwerkzeug zum Feinarbeiten von Oberflächen und ein durch Glätten bearbeitetes Werkstück. Erfindungsgemäß wird die zu bearbeitende Oberfläche durch Umformen mittels eines balligen Glättwerkzeuges geglättet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feinbearbeiten von Oberflächen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein dafür geeignetes Glättwerkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11 und ein Werkstück nach Patentanspruch 19.
Derartige Verfahren und Glättwerkzeuge finden beispielsweise beim Feinarbeiten von Oberflächen eines Pleuels Verwendung. Bei Verbrennungsmotoren ist ein Kolben über einen Kolbenbolzen an einem kleinen Pleuelauge des Pleuels gelagert, dessen großes Pleuelauge mit einer Kurbelwelle verbunden ist. Bisher wurde in das kleine Pleuelauge eine Lagerbuchse eingesetzt. Im Zuge von Bestrebungen zum Leichtbau und zur Kostenminimierung soll auf diese Lagerbuchse verzichtet werden, so dass das kleine Pleuelauge direkt den Kolbenbolzen umgreift. Dabei ist es erforderlich, die Lagerfläche des kleinen Pleuelauges mit hoher Präzision zu fertigen. Bisher wurde das kleine Pleuelauge rund, elliptisch und/oder in Kolbenbolzenlängsachse trompetenförmig durch Feindrehen ausgebildet. Es zeigte sich, dass die durch Feindrehen erzielbare Oberflächenqualität nicht gut genug ist, um die Standfestigkeit der Lagerverbindung zu gewährleisten.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass man insbesondere bei buchsenlosen Schmiedepleueln einen verstärkten Verschleiß beobachtet hat. Die Anmelderin hat festgestellt, dass dieser verstärkte Verschleiß auf Seigerungen in dem gegossenen Rohling zurückzuführen ist. Derartige Seigerungen (schwarze Seelen) sind Entmischungen der Schmelze beim Gießvorgang. Diese Bereiche weisen eine höhere Härte als das reguläre Gefüge des Werkstückes auf. Stellt man aus einem derartigen Gießrohling durch Schmieden ein Pleuel her, so werden die Seigerungen besonders in den mittleren Umfangsbereichen des großen und kleinen Pleuelauges auftreten, so dass die Lagerpaarung in diesem Bereich verschleisst Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Werkzeug zu schaffen, mit dem bei einfachem vorrichtungstechnischem Aufwand die Oberflächenqualität derartiger Oberflächen verbessert ist. Des Weiteren soll ein Werkstück mit verbesserter Oberflächenqualität und Verschleißfestigkeit geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmalskombination des Patentanspruches 1 und durch ein Glättwerkzeug gemäß Patentanspruch 11 und durch ein Werkstück gemäß Patentanspruch 19 gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt die Feinbearbeitung der Oberfläche durch partielles Umformen, wobei ein Glättwerkzeug eingesetzt wird, das mit einer balligen Oberfläche gegen die zu bearbeitende Oberfläche gedrückt und entlang dieser bewegt wird. Die Erfindung wendet sich somit ab von herkömmlichen Feinstbearbeitungsverfahren, bei denen die Oberfläche durch spanabhebende Bearbeitung geglättet wird. Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass ein balliger Glättkörper lediglich gegen die Oberfläche gedrückt wird, und selbst keine Rotation oder dergleichen – wie beispielsweise beim Rollieren – durchführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Glättwerkzeug lassen sich mit besonders gutem Erfolg bei der Feinbearbeitung eines Pleuelauges einsetzen.
Der Schaft des Glättwerkzeugs ist vorzugsweise in einen radial zustellbaren Zustellkopf eingespannt. Beispielsweise ist der Zustellkopf als Membrankippkopf ausgebildet. Durch einen derartigen Zustellkopf können im Querschnitt ovale oder in Achsrichtung trompetenförmige Lagerausnehmungen, mit Ausnehmungen versehene oder auf sonstige Weise strukturierte Oberflächen geschaffen oder bearbeitet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der ballige Glättkörper an einem im Wesentlichen biegesteifen Werkzeugschaft gelagert und somit nicht durch Federvorspannung oder dergleichen in Eingriffsrichtung vorgespannt. Bei bestimmten Anwendungsfällen kann es jedoch auch erforderlich sein, den balligen Glättkörper elastisch in Eingriffsposition vorzuspannen. In diesem Fall kann der den Glättkörper aufnehmende Bereich elastisch ausgeführt sein. Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Werkzeugschaft als Parallellenker ausgebildet, der beispielsweise durch Erodieren aus dem Werkzeugschaft frei geschnitten ist. Bei einer alternativen Variante der Erfindung ist der Werkzeugschaft mittels zumindest einer Feder, insbesondere einer Blattfeder, als Federlenker ausgebildet. Durch Prozessüberwachung mit einem Mikromesstaster, der die Auslenkung des Parallellenkers erfasst, wird bestätigt, dass die Durchmessergenerierung beispielsweise mit einem Anteil von 5 μm Glättung rotationssymmetrisch stattgefunden hat.
Als Glättkörper wird vorzugsweise ein Naturdiamant oder ein entsprechend harter Werkstoff ausgebildet. Beispielsweise findet eine Diamantkugel oder ein Diamantkugelsegment Verwendung. Der Radius einer Glättfläche des Glättkörpers liegt bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Bereich von etwa 2 bis 6 mm.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des Verfahrens wird das Glättwerkzeug etwa entlang der gleichen Bewegungsbahn wie die des zuvor verwendeten Bearbeitungswerkzeugs geführt.
Das Glättwerkzeug wird vorzugsweise mit einem vorbestimmten Anpressdruck oder einer bestimmten Vorspannung gegen die Oberfläche gedrückt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Anpressdruck des Glättwerkzeuges oder die Vorspannkraft des Glättwerkzeuges an die Oberfläche in einem vorbestimmten Toleranzbereich gehalten wird. Durch ein derartiges Verfahren lassen sich wesentlich geringere Rauhtiefen als durch herkömmliche Verfahren erzielen. Die bei Vorversuchen erreichte Rauhtiefe war geringer als 1/1000 mm. Durch eine geeignete Prozessüberwachung der Anpresskraft wird bestätigt, dass die Durchmessergenerierung, beispielsweise mit einem Anteil von 5 μm Glättung rotationssymmetrisch stattgefunden hat. Die gewünschte, konstante Anpresskraft kann beispielsweise aufgrund der auf den Glättkörper wirkenden Fliehkraft erreicht werden und ist durch die Drehzahl des Glättwerkzeugs einstellbar.
Bei bestimmten Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn in der zu behandelnden Oberfläche Ausnehmungen ausgebildet sind; diese können als umlaufende Nut, spiralförmig oder kreuzförmig umlaufend ausgeführt sein oder aber auch als abschnittweise ausgebildete Taschen. Durch geeignete Ansteuerung des Glättwerkzeuges ist es in manchen Fällen vorteilhaft, wenn das Glättwerkzeug im Bereich dieser Ausnehmungen außer Eingriff gebracht wird, um Spannungsspitzen und somit eine Beschädigung des Werkstücks bzw. des Glättwerkzeuges zu vermeiden. Des Weiteren ist es möglich Ausnehmungen, beispielsweise Schmiermulden, mit dem Glättwerkzeug in die Oberfläche des Bauteils einzubringen. Ein derartiges Werkzeug kann als Kombiwerkzeug mit einer kleinen Kugel zum Einbringen der Mulde und einer großen Kugel zum Glätten des Durchmessers ausgebildet sein.
Die Maßhaltigkeit der zu bearbeitende Oberfläche lässt sich weiter verbessern, wenn das Vorbearbeitungswerkzeug zunächst auf das theoretische Einstellmaß voreingestellt wird und anschließend die Vorbearbeitung, beispielsweise das Feinbohren mittels Steuerung oder Verstellen der Werkzeugschneide erfolgt, bis die Mitte oder ein sonstiger Wert innerhalb des Toleranzbereiches erreicht ist.
In einem folgenden Schritt wird dieser Wert als Nullmaß in der Maschine abgenommen und auf eine Messstation – einen sogenannten Meister – übertragen und fixiert.
Bei einem Werkzeugwechsel kann dann dieses Nullmaß vom Meister abgenommen und in der Maschine auf das Werkzeug übertragen werden. Diese Übertragung kann mittels der Maschinensteuerung oder direkt durch Verstellung in der Werkzeugschneide (Zustellwerkzeug) erfolgen.
Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung wird nach dem Glätten überprüft, ob das Glättwerkzeug auf Position ist. Dadurch kann beispielsweise festgestellt werden, ob der Glättkörper beschädigt oder überhaupt noch vorhanden ist.
Die eingangs genannte Vorspannung wird so eingestellt, dass sich auch die Deformation (Abplatten) des Glättwerkzeuges während der Glättbearbeitung kompensieren lässt.
Als fertigungstechnisch besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Glättwerkzeug als Kombiwerkzeug mit zumindest einer Vorbearbeitungsschneide ausgeführt ist.
Vorzugsweise ist die Vorbearbeitungsschneide etwa diametral zu dem Glättkörper angeordnet, so dass durch eine Schwenkbewegung wahlweise das Glättwerkzeug oder die Vorbearbeitungsschneide in Eingriff bringbar ist.
Zur Verbesserung des Verschleißverhaltens wird mit der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagen, insbesondere bei Schmiedeteilen im mittleren Bereich der Umfangswandungen von Lagerbohrungen/-ausnehmungen – beispielsweise dem großen und kleinen Pleuelauge – eine Umfangsnut auszubilden. Diese Umfangsnut ist so ausgelegt, dass die Seigerungen teilweise abgetragen werden und somit nicht mehr im Haupttragbereich der Lagerbohrung liegen, so dass überraschender Weise die Verschleißfestigkeit gegenüber herkömmlichen Lösungen wesentlich verbessert werden kann.
Unter Umständen kann es jedoch auch ausreichen, die Umfangswandung der Lagerausnehmung und die umlaufende Nut nur durch Feindrehen zu bearbeiten, wobei dann wesentlich ist, dass die Seigerungen nicht mehr im Haupttragbereich des Lagers liegen. Die Anmelderin behält sich vor, auf das Ausbilden einer Nut – unabhängig vom Bearbeitungsverfahren – einen eigenen unabhängigen Anspruch zu richten.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein zu bearbeitendes Pleuel;
2 eine Prinzipdarstellung eines Glättwerkzeuges gemäß eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;
3 eine Vorderansicht des Glättwerkzeug aus 2 eingesetzt in einen Hohlschaftkegel;
4 eine räumliche Darstellung des in eine Spindel einer Werkzeugmaschine eingesetzten Glättwerkzeugs aus 3;
5 eine Seitenansicht des Membrankippkopfs mit Glättwerkzeug aus 4;
6 eine Seitenansicht des Membrankippkopfs mit Glättwerkzeug aus 5 im ausgelenkten Zustand;
7 eine Draufsicht des Membrankippkopfs mit Glättwerkzeug aus 6;
8 eine Seitenansicht eines elastisch ausgebildeten Werkzeugschafts;
9 eine vergrößerte Darstellung des Glättwerkzeugs aus 8;
10 eine Seitenansicht eines als Kombiwerkzeug ausgeführten Glättwerkzeugs;
11 eine Seitenansicht des Kombiwerkzeugs aus 10;
12 eine Seitenansicht des Kombiwerkzeugs bei dem das Glättwerkzeug in Eingriff ist;
13 eine Seitenansicht des Kombiwerkzeugs bei dem die Vorbearbeitungsschneide in Eingriff ist;
14 eine Eindringkurve des Glättkörpers in Abhängigkeit der Vorspannkraft;
15 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geglättete Oberfläche und
16 die Rautiefen einer fein gebohrten und einer geglätteten Lagerausnehmung eines Pleuels.
1 zeigt ein zu bearbeitendes Pleuel 1, dessen kleines Lagerauge 2 mit hoher Qualität oberflächenbearbeitet werden soll, so dass ohne Verwendung einer Lagerbuchse ein Kolbenbolzen eines Kobens (nicht dargestellt) einsetzbar ist. Zur Feinbearbeitung findet ein in 2 schematisch dargestelltes Glättwerkzeug 4 Verwendung, bei dem an einem Werkzeugschaft 6 ein balliger Glättkörper 8 eingesetzt ist. Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Glättwerkzeug 4 biegesteif ohne Elastizität ausgeführt ist. Der Glättkörper 8 besteht vorzugsweise aus einem Naturdiamanten oder einem vergleichbarem Werkstoff und ist mittels einer in eine Aufnahmebohrung 10 des Werkzeugschafts 6 eingesetzten Klemmschraube 12 im Werkzeugschaft 6 derart befestigt, dass eine ballige oder kugelförmige Glättfläche 14 in Radialrichtung aus dem Werkzeugschaft 6 auskragt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Glättfläche 14 mit einem Radius von etwa 2,75 mm ausgeführt, selbstverständlich können auch andere Radien, beispielsweise ein Radius von 5 mm verwendet werden.
3 zeigt das Glättwerkzeuges 4 aus 2 mit biegesteifem Werkzeugschaft 6, der in einen herkömmliche Hohlschaftkegel (HSK) 16 eingesetzt ist, der seinerseits – wie in 4 dargestellt – in ein radial zustellbares Werkzeug einsetzbar ist, so dass der Glättkörper 8 gegen die zu bearbeitende Oberfläche vorgespannt und zugestellt werden kann.
Diese Werkzeuganordnung kann dann gemäß 4 in eine Spindel 18 einer Werkzeugmaschine 20 eingesetzt werden, so dass der Glättkörper 8 entlang einer vorbestimmten Bewegungsbahn im Pleuelauge 2 (siehe 1) bewegbar ist. Dabei wird es bevorzugt, wenn die Bewegungsbahn in etwa derjenigen entspricht, die beim Feinbohren eingestellt ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Glättwerkzeug 4 in einen Membrankippkopf 22 eingesetzt.
Gemäß 5 hat ein derartiger Membrankippkopf 22 eine in Axialrichtung verstellbare Gabel 24 mit einer schräg zur Längsachse verlaufenden Gabelnut 26, in die ein Zapfen 28 eines Werkzeugkopfes 30 eintaucht. Dieser Werkzeugkopf 30 steht derart in Wirkverbindung mit einer Membran 32, dass bei einer Verschiebung der Gabelnut 26 der Werkzeugkopf 30 gekippt und somit das Glättwerkzeug 4 – wie in 6 dargestellt – in Radialrichtung ausgelenkt wird und eine radiale Zu- oder Rückstellbewegung durchführt. Hierzu ist der Werkzeugkopf 30 gemäß 7 mittig zwischen zwei Stegen 34, 36 angeordnet, die eine Schwenkachse ausbilden. Durch entsprechende Ansteuerung des Membrankippkopfes 22 kann die Glättfläche 14 des Glättkörpers 8 in eine vorbestimmte Relativposition zur der zu bearbeitenden Oberfläche gebracht werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird es bevorzugt, wenn die Glättfläche 14 gegenüber der zu bearbeitenden Oberfläche mit 10 μm vorgespannt wird. Das heißt, die Glättoberfläche 14 ist gegenüber der zu bearbeitenden Oberfläche in Radialrichtung 10 μm ins Werkstück hinein vorgespannt und gibt somit die Glättebene vor.
Bei besonderen Anforderungen könnte es erforderlich sein, den Werkzeugschaft 6 mit einer gewissen Elastizität auszuführen. In diesem Fall kann der den Glättkörper 8 aufnehmende Bereich elastisch ausgeführt sein. Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dies durch einen Parallellenker 38, der beispielsweise durch Erodieren aus dem Werkzeugschaft 6 frei geschnitten ist. Dies wird im Folgenden anhand 9 näher erläutert, die eine vergrößerte Darstellung des Glättwerkzeugs 4 aus 8 zeigt.
Wie insbesondere 9 zu entnehmen ist, hat der Parallellenker 38 zwei Schenkel 40, 42, die über einen den Glättkörper 8 aufnehmenden Steg 44 verbunden sind. Der Glättkörper 8 ist über eine Abstimmplatte 46 an dem Steg 44 abgestützt und mittels der Klemmschraube 12 an diesem gehalten. Die Schenkel 40, 42 und der Steg 44 sind um etwa 0,5 mm zu einem Mittelteil 48 des Werkzeugschafts 6 beabstandet, wobei in den Schenkel 40 eine Einstellschraube 50 eingeschraubt ist, die sich an dem Mittelteil 48 abstützt. Mittels der Einstellschraube 50 kann die Vorauslenkung des Glättwerkzeugs 4 und die Steifigkeit des Parallellenkers 38 eingestellt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Mittelteil 48 von einer Aufnahme 52 durchsetzt, in der ein Elastomerkörper 54 aufgenommen ist.
Dieser Elastomerkörper 54 ist mittels eines ersten Endabschnitts über ein Befestigungselement 56 an dem linken Schenkel 40 des Parallellenkers 38 und mit seinem zweiten Endabschnitt an dem zweiten Schenkel 42 des Parallellenkers 38 abgestützt. Der Elastomerkörper 54 dient als Dämpfungselement und zur Abstimmung der Steifigkeit des Glättwerkzeugs 4. Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel findet anstelle des Elastomerkörpers 54 ein Öldämpfer Verwendung.
Die Vorbearbeitung und das Glätten werden beispielsweise an zwei Stationen durchgeführt. Bei der Bearbeitung eines Pleuels 1 (siehe 1) erfolgt die Vorbearbeitung vorzugsweise durch Feinbohren mit einem vorzugsweise in Radialrichtung verstellbaren Feinbohrkopf. Dieser Feinbohrkopf wird zunächst laut dem theoretischen Einstellmaß auf einem geeigneten Messgerät bspw. einem Werkzeugvoreinstellgerät voreingestellt. Anschließend erfolgt das Feinbohren, wobei mittels der Maschinensteuerung oder Verstellen der Werkzeugschneide die Bearbeitung so lange erfolgt, bis die Mitte des Toleranzbereichs oder ein anderer vorbestimmter Wert innerhalb des Toleranzbereiches erreicht ist. Dieses Istmaß wird dann in der Maschine als Nullmaß abgenommen und dieses Nullmaß auf ein Messgerät, einen so genannten Meister übertragen und fixiert. Bei einem Werkzeugwechsel kann dieses Nullmaß dann direkt vom Meister abgenommen und in der Maschine mittels Werkzeugmaschinensteuerung oder Verstellung der Schneide (Radialwerkzeug) auf das Feinbohrwerkzeug übertragen werden. Mit dieser Vorgehensweise ist gewährleistet, dass das Feinbohren mit größtmöglicher Präzision und Reproduzierbarkeit erfolgt, so dass durch das nachfolgende Glätten eine auch höchsten Anforderungen entsprechende Bauteilgeometrie mit vorbestimmter minimaler Rautiefe (kleiner als 1 μm) erfolgt. Wie eingangs beschrieben, ist der Glättkörper 8, vorzugsweise die Diamantkugel in einen radial verstellbaren Zustellwerkkopf eingesetzt. Die Steuerung ist so angelegt, dass die Anpresskraft bzw. der Anpressdruck des Glättkörpers 8 an die zu bearbeitende Oberfläche während der Bearbeitung geregelt werden kann, so dass er innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereiches verbleibt und somit stets eine gewisse Vorspannung (etwa 10 μm) wirksam ist. Durch diese Vorspannung können auch geringe, ungewünschte Ovalitäten aus dem Feinbohren ausgeglichen werden.
Der radial verstellbare Zustellkopf ermöglicht es, auch Oberflächen mit Ausnehmungen – beispielsweise zum Ausbilden von Schmiertaschen etc. – zu bearbeiten. Dabei wird es bevorzugt, den Glättkörper im Bereich dieser Schmiertaschen durch Verstellen des Zustellkopfs außer Eingriff zu bringen, so dass der Glättkörper nach Überfahren dieser Ausnehmung keiner Schlagbeanspruchung ausgesetzt ist, da er erst nach diesem Überfahren wieder in Eingriff gebracht wird.
Nach Durchführen des Glättvorgangs wird über ein Messgerät geprüft, ob der Glättkörper 8 noch auf Position ist und ob gegebenenfalls ein Verschleiß vorliegt, der dann entsprechend kompensiert werden kann. Eine entsprechende Verschleißmessung erfolgt auch bei der Vorbearbeitung (Feinbohren), wobei das Werkzeug jeweils nach der Bearbeitung eines Werkstücks vermessen und gegebenenfalls vorliegender Verschleiß gespeichert und durch eine stationsorientierte Verschleißkompensation ausgeglichen wird (Offset-Korrektur). Diese Korrektur kann über einen gleitenden Mittelwert erfolgen, wobei beispielsweise bei einem Werkzeugwechsel eine hauptzeitfreie Messteilausschleusung mit aktueller Messanzeige und gegebenenfalls durchzuführender Offset-Korrektur erfolgt.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines als Kombiwerkzeug 58 ausgeführten Glättwerkzeugs 4 mit einer Vorbearbeitungsschneide 60, durch die praktisch das Feinbohren erfolgt, wobei in einem folgenden Schritt durch Verschwenken des Werkzeugs 4 der Glättkörper 8 mit seinem Kugelsegment in Eingriff gebracht werden kann.
Gemäß 11, die eine Seitenansicht des Kombiwerkzeugs 58 aus 10 zeigt, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Vorbearbeitungsschneide 60 etwa diametral zu dem Glättkörper 8 angeordnet ist, so dass durch eine Schwenkbewegung wahlweise der Glättkörper 8 oder die Vorbearbeitungsschneide 60 in Eingriff bringbar ist. Dies wird im Folgenden anhand der 12 und 13 näher erläutert, die das Kombiwerkzeug 58 im Eingriff mit der Vorbearbeitungsschneide 60 bzw. im Eingriff mit dem Glättkörper 8 zeigen.
In 12 ist ein radial zustellbarer Zustellkopf gezeigt, in den das Kombiwerkzeug 58 einsetzbar ist. Der Zustellkopf ist als Membrankippkopf 22 mit einer in Axialrichtung verstellbare Gabel 24 mit einer schräg zu Längsachse verlaufenden Gabelnut 26 ausgebildet, in die ein Zapfen 28 des Werkzeugkopfes 30 eintaucht. Dieser Werkzeugkopf 30 steht derart in Wirkverbindung mit einer Membran 32, dass bei einer Verschiebung der Gabelnut 26 der Werkzeugkopf 30 gekippt und somit das Glättwerkzeug 4 – wie in 12 dargestellt – oder die Vorbearbeitungsschneide 60 – wie in 13 dargestellt – in Eingriff ist. Das heißt, durch entsprechende Ansteuerung des Membrankippkopfes 22 kann die Glättfläche oder die Vorbearbeitungsschneide 60 in eine vorbestimmte Relativposition zur der zu bearbeitenden Oberfläche gebracht werden.
14 zeigt eine Eindringkurve 62 des Glättkörpers 8 in Abhängigkeit der Vorspannkraft F. Die Kraft-Eindringtiefekennlinie verläuft relativ flach mit einem Gradienten von etwa 0,5 N/μm. Der Betrieb des Glättwerkzeugs 4 erfolgt vorzugsweise im Auslenkbereich zwischen 25–50 μm und ist durch einen Festanschlag einstellbar. Der Glättkörper 8 beginnt gemäß 14 ab einer Vorspannkraft von etwa 40 N in die Oberfläche des Bauteils einzudringen. Bei einer Vorspannkraft von etwa 75 N wird beispielsweise eine Eindringtiefe von 50 μm erreicht.
Gemäß 15 lässt sich durch das erfindungsgemäße Glättverfahren eine exzellente Oberflächenqualität erzielen, die eine Rauhigkeit RZ von 0,8 ermöglicht – derartige Rautiefen sind durch Feinbohren praktisch nicht erzielbar.
16 zeigt eine konkrete Messung der Rautiefe anhand einer Kurve 64, wobei die Rauhigkeit nach dem Feinbohren rechts dargestellt ist und etwa 2,5 bis 4 μm beträgt. Durch das Glättverfahren gemäß der Erfindung kann eine links dargestellte Rautiefe von weniger als 1 μm, beispielsweise von 0,7 μm erzielt werden. Die dadurch hergestellten Pleuelaugen 2 (siehe 1) weisen eine exzellente Qualität auf und haben sich in Standzeitversuchen bewährt, so dass die Verwendung von herkömmlichen Lagerbuchsen nicht länger erforderlich ist. Es zeigte sich, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Glättverfahren die Rundheit gegenüber fein gebohrten Konturen noch weiter verbessern lässt. Mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug lassen sich nahezu beliebige Konturen, beispielsweise runde Ausnehmungen, elliptische Ausnehmungen (Ellipse ca. 10 µm) oder in Längsrichtung trompetenförmige Konturen ausbilden.
Selbstverständlich ist das Verfahren und das Glättwerkzeug 4 nicht auf die Anwendung bei Pleuelaugen 2 beschränkt, sondern kann auch bei anderen Oberflächen mit hoher Oberflächengüte eingesetzt werden. So kann das erfindungsgemäße Verfahren und das Glättwerkzeug 4 auch bei der Bearbeitung von Zylinderbohrungen eingesetzt werden, wobei in den Umfangswandungen die vorgeschriebenen Schmiertaschen (spiralförmig, Kreuzmuster ...) ausgebildet sein können. Das erfindungsgemäße Verfahren und das Glättwerkzeug 4 kann als Alternative zum Honen eingesetzt werden, das einen erheblichen werkzeugmaschinentechnischen und steuerungstechnischen Aufwand erfordert.
Wie eingangs erläutert, eignet sich die Erfindung insbesondere auch zur Anwendung bei Werkstücken, bei denen im Bereich der Umfangswandungen der Lagerausnehmungen Seigerungen auftreten. Da diese Seigerungen bei aus Rundmaterial geschmiedeten Werkstücken im Wesentlichen im mittleren Umfangsbereich ausgebildet sind, wird erfindungsgemäß eine umlaufende Nut in diesen Mittelbereich der Umfangswandungen eingebracht. Diese Nut kann bei einem Pleuel einen oder mehrere Millimeter, beispielsweise etwa 3 mm breit sein, wobei die Tiefe lediglich einen Bruchteil der Breite beträgt. So lässt sich das Verschleißverhalten des Werkstücks bereits bei Nuten mit einer Tiefe zwischen 1 µm und 5 µm verbessern. D.h. die Breite der Nut und die Tiefe der Nut sind dabei erfindungsgemäß in einem Verhältnis von mehr als 100:1, vorzugsweise mehr als 1000:1 ausgeführt. Diese Nut kann durch Feindrehen oder auch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Glätten ausgebildet werden. Im letztgenannten Fall kann die Nut zunächst durch Feindrehen vorbearbeitet und dann durch Glätten fein bearbeitet werden. Prinzipiell ist es auch möglich, die Nut nur durch Glätten auszubilden.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei ovalen Lagerausnehmungen (Pleuelaugen) oder von der Kreisform abweichendem Querschnitt eingesetzt werden, da über den Zustellkopf praktisch jedwede Ausnehmungsform nachgefahren werden kann. Der Hauptvorteil einer durch Glätten bearbeiteten umlaufenden Nut liegt darin, dass ein sauberer Ölkanal gebildet wird, in dem sich ein stetiger Ölfilm ohne Abriss ausbildet, so dass das Verschleißverhalten des Werkstücks oder des buchsenlosen Pleuels weiter verbessert wird. Aufgrund der geringen Tiefe der Nut wird diese auch als Mikronut bezeichnet.
Offenbart sind ein Verfahren und ein Glättwerkzeug zum Feinarbeiten von Oberflächen und ein durch Glätten bearbeitetes Werkstück. Erfindungsgemäß wird die zu bearbeitende Oberfläche durch Umformen mittels eines balligen Glättwerkzeuges geglättet.

1: Pleuel
2: Lagerauge
4: Glättwerkzeug
6: Werkzeugschaft
8: Glättkörper
10: Aufnahmebohrung
12: Klemmschraube
14: Glättfläche
16: Hohlschaftkegel
18: Spindel
20: Werkzeugmaschine
22: Membrankippkopf
24: Gabel
26: Gabelnut
28: Zapfen
30: Werkzeugkopf
32: Membran
34: Steg
36: Steg
38: Parallellenker
40: Schenkel
42: Schenkel
44: Steg
46: Abstimmplatte
48: Mittelteil
50: Einstellschraube
52: Aufnahme
54: Elastomerkörper
56: Befestigungselement
58: Kombiwerkzeug
60: Vorbearbeitungsschneide
62: Eindringkurve
64: Kurve

Claims

Verfahren zum Feinbearbeiten von Oberflächen, insbesondere von Lagerausnehmungen, mit den Schritten: – Vorbearbeitung der Oberfläche, insbesondere Feinbohren und – Glätten der bearbeitenden Oberfläche durch partielles Umformen mittels eines balligen Glättwerkzeuges (4), das gegen die Oberfläche gedrückt und entlang dieser bewegt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei das Glättwerkzeug (4) etwa entlang der Bahn des Werkzeugs zur Vorbearbeitung geführt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei das Glättwerkzeug (4) mit einem vorbestimmten Anpressdruck oder einer vorbestimmten Vorspannkraft gegen die Oberfläche gedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Rautiefe nach dem Glätten kleiner als 1/1000 mm ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in der Oberfläche nut- oder taschenförmige Ausnehmungen ausgebildet werden.
Verfahren nach Patentanspruch 5, wobei in der Oberfläche eine umlaufende Nut mit einer im Mikrometerbereich liegenden Tiefe ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Glättwerkzeug (4) derart in Wirkeingriff gebracht wird, dass der Anpressdruck oder die Vorspannkraft stets innerhalb eines vorbestimmten Toleranzfensters liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche mit den Schritten: – Voreinstellen des Vorbearbeitungswerkzeugs auf ein theoretisches Einstellmaß; – Vorbearbeitung, bis etwa die Mitte des Toleranzbereiches erreicht ist; – den so entstandenen Wert als Nullmaß in der Maschine abnehmen; – das Nullmaß auf eine Messstation (Meister) übertragen und fixieren; – bei Werkzeugwechsel das Nullmaß von der Messstation abnehmen und in der Maschine auf das Werkzeug übertragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei nach dem Glätten in einer Messstation geprüft wird, ob das Glättwerkzeug (4) auf Position ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine Verformung des Glättwerkzeuges (4) während des Glättens kompensiert wird.
Glättwerkzeug mit einem balligen Glättkörper (8), der aus einem biegesteifen Werkzeugschaft (6) auskragt.
Glättwerkzeug nach Patentanspruch 11, wobei der Glättkörper (8) aus Diamant, vorzugsweise Naturdiamant besteht.
Glättwerkzeug nach Patentanspruch 11 oder 12, wobei der Werkzeugschaft (6) in einen radial zustellbaren Zustellkopf (30) eingespannt ist.
Glättwerkzeug nach Patentanspruch 13, wobei der Zustellkopf ein Membrankippkopf (22) ist.
Glättwerkzeug nach einem der Patentansprüche 11 bis 14, mit zumindest einer Vorbearbeitungsschneide (60).
Glättwerkzeug nach Patentanspruch 15, wobei die Vorbearbeitungsschneide (60) etwa diametral zu dem Glättkörper (8) angeordnet ist.
Glättwerkzeug nach einem der Patentansprüche 11 bis 16, wobei der Radius einer Glättfläche (14) des Glättkörpers (8) zwischen 2 und 6 mm beträgt.
Glättwerkzeug nach einem der Patentansprüche 11 bis 17, wobei der Glättkörper (8) am Werkzeugschaft (6) feststeht.
Werkstück mit zumindest einer Lagerausnehmung, deren Umfangswandung durch Glätten fein bearbeitet ist.
Werkstück nach Patentanspruch 19, wobei im Mittelbereich der Umfangswandung eine umlaufende Nut ausgebildet ist.
Werkstück nach Patentanspruch 20, wobei die Nut eine Tiefe von weniger als 20 µm, vorzugsweise eine Tiefe im Bereich zwischen 1 µm und 5 µm hat.