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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Innenfläche
einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zur Bearbeitung
einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Zylinderblöcken
für Brennkraftmaschinen, eine zur Durchführung
des Verfahrens geeigneten Bearbeitungsmaschine sowie ein mit Hilfe
des Verfahrens hergestelltes oder herstellbares Werkstück.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Honbearbeitung von Werkstücken.
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Die
Zylinderlaufflächen in Zylinderblöcken von Brennkraftmaschinen
sind im Betrieb der Brennkraftmaschine einer starken tribologischen
Beanspruchung ausgesetzt. Daher kommt es bei der Herstellung von
Zylinderblöcken darauf an, diese Zylinderlaufflächen
und andere tribologisch beanspruchbare Flächen, beispielsweise
Gleitlagerflächen in Pleuelbohrungen, so zu bearbeiten,
dass später bei allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierung
durch einen Schmiermittelfilm gewährleistet ist und der
Reibwiderstand von sich relativ zueinander bewegenden Teilen möglichst
gering gehalten wird.
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Die
qualitätsbestimmende Endbearbeitung solcher tribologisch
beanspruchbaren Innenflächen erfolgt in der Regel mit einem
geeigneten Honverfahren. Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren
mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem mindestens ein Honwerkzeug
innerhalb der zu bearbeitenden Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in
Axialrichtung der Bohrung mit einer Hubfrequenz hin- und herbewegt
und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten
Drehbewegung mit einer Umdrehungsfrequenz gedreht wird. Dadurch
entsteht an der Innenfläche ein für die Honbearbeitung
typisches Kreuzschliffmuster mit sich überkreuzenden, weitgehend
geradlinigen Bearbeitungsspuren, die auch als „Honriefen"
bezeichnet werden. Der durch das Verhältnis zwischen Hubfrequenz
und Umdrehungsfrequenz bestimmte Verlauf der Bearbeitungsspuren
des Kreuzschliffmusters hat in der Regel Einfluss auf die Trag-
und Schmiereigenschaften des bearbeiteten Werkstücks.
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Im
Fahrzeugbau werden aus verschiedenen Gründen zunehmend
neue Werkstoffe und neue Konstruktionsprinzipien für Bauteile
eingesetzt, um zu einer Gewichtsreduzierung der Fahrzeuge beizutragen.
Beispielsweise werden inzwischen Zylinderkurbelgehäuse
aus Vermikular-Graphitguss (GGV) eingesetzt, der gegenüber
konventionellem Grauguss eine verdoppelte Festigkeit bei einem gleichzeitig
um rund 15% reduzierten spezifischen Gewicht bedeutet. Auch Gusseisen
mit Kugelgraphit (GGG) wird gelegentlich verwendet. Die Verwendung
von Materialien mit höheren spezifischen Festigkeiten erlaubt
einen Übergang zu geringeren Materialstärken, was
ebenfalls der Gewichtsreduzierung zugute kommt. Auch Aluminium-Basiswerkstoffe
werden zunehmend verwendet.
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Es
wurde festgestellt, dass sich bei konventionell durchgeführten
Honverfahren an unterschiedlichen Werkstücken gelegentlich
signifikant verschlechterte Ergebnisse der Oberflächenstruktur zeigten.
Insbeson dere wurden bei bestimmten Werkstücken Honriefen
mit periodisch variierender Breite beobachtet, deren Morphologie
an eine Perlenschnur erinnert. Weiterhin wurde gelegentlich Welligkeitsbildung
beobachtet. Solche Strukturen sind im Hinblick auf die gewünschte
Funktion gehonter Oberflächen in der Regel nachteilig.
Gelegentlich war die Honbearbeitung auch mit erheblicher Geräuschentwicklung verbunden.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bearbeitung einer
Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück bereitzustellen,
mit dem es möglich ist, Werkstücke unterschiedlicher
Konstruktion mit im Wesentlichen gleichbleibender Oberflächengüte
zu bearbeiten. Es ist eine weitere Aufgabe, die Geräuschentwicklung
bei Bearbeitungsprozessen zu vermindern. Eine weitere Aufgabe besteht
darin, ein bearbeitetes Werkstück bereitzustellen, bei dem
die bearbeitete Innenfläche einer Bohrung verbesserte tribologische
Eigenschaften aufweist.
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Zur
Lösung dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung
ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin
kann die Aufgabe mit Hilfe einer Bearbeitungsmaschine mit den Merkmalen
von Anspruch 16 und einem Werkstück mit den Merkmalen von
Anspruch 17 gelöst werden. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der
Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugsnahme
zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bearbeitung
einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück,
das insbesondere zur Bearbeitung von Zylinderlaufflächen
bei der Herstellung von Zylinderblöcken für Brennkraftmaschinen
eingesetzt werden kann, wird ein Bearbeitungswerkzeug innerhalb der
Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung
mit einer Hubfrequenz hin- und herbewegt und gleichzeitig wird das
Bearbeitungswerkzeug zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten
Drehbewegung mit einer Umdre hungsfrequenz gedreht. Zumindest während
eines Modulationszeitintervalls wird eine definierte Modulation
der Umdrehungsfrequenz und/oder der Hubfrequenz erzeugt.
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Bei
herkömmlichen Bearbeitungsverfahren wird das Bearbeitungswerkzeug
mit konstanter Umdrehungsfrequenz gedreht. Gleichzeitig wird eine
periodisch oszillierende, axiale Hubbewegung erzeugt, die durch
eine im Wesentlichen konstante Hubfrequenz charakterisiert werden
kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
dem daraus resultierenden, periodischen Bewegungsablauf des Bearbeitungswerkzeuges
ein zweiter, periodischer oder aperiodischer Bewegungsablauf überlagert.
Es hat sich herausgestellt, dass hierdurch das Auftreten von Resonanzschwingungen
des Werkstückes und/oder des Bearbeitungswerkzeuges wirksam
verringert oder vollständig unterdrückt werden
kann. Dieser Effekt macht sich akustisch dadurch bemerkbar, dass die
bisher gelegentlich aufgetretenen Störgeräusche bei
der Bearbeitung vermieden werden. Gleichzeitig kann erreicht werden,
dass die durch langgestreckte Vertiefungen gebildeten Bearbeitungsspuren
an der Innenfläche der Bohrung störungsfrei und
mit nur sehr geringen Breitvariationen erzeugt werden.
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Außerdem
kann bei geeigneter Einstellung des Ausmaßes der Modulation
erreicht werden, dass die sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren
zumindest in einem Teil der bearbeiteten Innenfläche einen schlangenlinienförmigen
Verlauf haben. Die Schwankungsbreite des schlangenlinienförmigen
Verlaufs um die im Wesentlichen geradlinige, mittlere Verlaufsrichtung
ist dabei um ein Vielfaches größer als die bei
herkömmlichen Verfahren im Rahmen der Toleranzen auftretenden
Abweichungen des Verlaufs der Bearbeitungsspuren von einem exakt
geradlinigen Verlauf. Es hat sich herausgestellt, dass sich dadurch
unter gewissen Betriebsbedingungen der bearbeiteten Innenfläche
im späteren Betrieb verbesserte tribologische Eigenschaften
ergeben. Es wird angenommen, dass diese Verbesserungen darauf zurückzuführen
sind, dass der schlangenlinienförmige Verlauf der Bearbeitungsspuren
zu einer Reduzierung des Schmiermitteltransportes entlang der Bearbeitungsspuren
führt und somit die Haltefähigkeit der bearbeiteten
Oberflächen für Schmiermittel während des
Betriebes verbessert. Ein „schlangenlinienförmiger
Verlauf" im Sinn dieser Anmeldung kann insbesondere ein annähernd
sinusförmiger Verlauf mit relativ gleichmäßigem
Wechsel zwischen lokalen Krümmungen der Bearbeitungsspuren
sein. Der schlangenlinienförmige Verlauf kann jedoch auch
ein annähernd zickzackförmiger Verlauf sein, bei
dem relativ geradlinige Abschnitte im Bereich von relativ scharfen
Umlenkpunkten in relativ geradlinige Abschnitte anderer Ausrichtung übergehen.
Auch eine Mischung zwischen sinusförmigen Verläufen
und zickzackförmigen Verläufen, z. B. nach Art
einer Zickzacklinie mit gerundeten Übergängen
sind möglich.
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Das
Modulationszeitintervall, innerhalb dessen die Modulation der Umdrehungsfrequenz und/oder
der Hubfrequenz erzeugt wird, kann sich über die gesamte
Bearbeitungsdauer einer Bearbeitungsstufe des Bearbeitungsverfahrens
erstrecken. Es ist auch möglich, dass während
einer Bearbeitungsstufe das Bearbeitungswerkzeug nur während eines
Bruchteiles der für die Bearbeitungsstufe vorgesehenen
Gesamtbearbeitungszeit mit der modulierten Arbeitsbewegung betrieben
wird, während innerhalb eines anderen Zeitintervalls konventionell
mit konstanter Umdrehungsfrequenz und/oder Hubfrequenz bewegt wird.
Der Bruchteil bzw. diejenige Phase der Gesamtbearbeitungszeit, innerhalb
der mit der modulierten Arbeitsbewegung gearbeitet wird, kann beispielsweise
ausschließlich zu Beginn einer Honbearbeitung oder ausschließlich
am Ende einer Honbearbeitung liegen oder aber in einem zwischen
dem Beginn der Honbearbeitung und dem Ende der Honbearbeitung liegenden
mittleren Zeitintervall. Wenn sich das Modulationszeitintervall
bis zum Ende der jeweiligen Bearbeitungsstufe erstreckt, sind die schlangenlinienförmigen
Bearbeitungsspuren in der Regel besonders ausgeprägt und
es können aus vorhergehenden Bearbeitungsstufen resultierende, geradlinige
Bearbeitungsspuren völlig beseitigt sein. Es ist auch möglich,
mit Hilfe der modulierten Arbeitsbewegung eine konventionell mit
geradlinig verlaufenden Bearbeitungsspuren vorbearbeitete Innenfläche so
zu modifizieren, dass sich zusätzlich zu den ggf. etwas
geglätteten geradlinigen Bearbeitungsspuren auch schlangenlinienförmige
Bearbeitungsspuren an der Oberfläche befinden.
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Bei
bevorzugten Verfahrensvarianten wird das Bearbeitungswerkzeug während
des Modulationszeitintervalls mit einer zeitlich variierenden Umdrehungsfrequenz
gedreht, wobei vorzugsweise die Hubfrequenz im Wesentlichen konstant
gehalten wird. In Abweichung von herkömmlichen Verfahren wird
somit nicht mehr mit konstanter Umdrehungsfrequenz gedreht, sondern
mit einer nicht-konstanten Umdrehungsfrequenz.
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In
dieser Anmeldung bezeichnet der Begriff „Umdrehungsfrequenz"
den Quotienten, gebildet aus der Anzahl der Umläufe oder
Umdrehungen als Zähler und der dafür benötigten
Zeitspanne als Nenner. Die Umdrehungsfrequenz wir üblicherweise
auch als „Drehzahl" bezeichnet und hat die Dimension 1/Zeit, beispielsweise
min–1. Da sich die Umdrehungsfrequenz
bzw. Drehzahl des Bearbeitungswerkzeuges bei gewissen Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Verfahren während der
Bearbeitung ändert, sind die Begriffe „Umdrehungsfrequenz"
bzw. „Drehzahl" im Rahmen dieser Anmeldung als momentane
Umdrehungsfrequenz bzw. momentane Drehzahl zu verstehen.
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Obwohl
sich die Umdrehungsfrequenz innerhalb des Modulationszeitintervalls
bei gewissen Verfahrensvarianten unregelmäßig ändern
kann, wird die Umdrehungsfrequenz bei bevorzugten Verfahrensvarianten
während des Modulationszeitintervalls periodisch variiert,
wodurch einerseits besonders gleichmäßige Oberflächeneigenschaften
erzielbar sind und wodurch andererseits eine besonders zuverlässige
und stö rungsfreie Steuerung der Arbeitsbewegungen des Bearbeitungswerkzeuges
sichergestellt werden kann.
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Es
ist möglich, die Bearbeitung innerhalb einer Bearbeitungsstufe
so durchzuführen, dass sich die Umdrehungsfrequenz während
eines einzigen Hubes des Bearbeitungswerkzeuges kontinuierlich oder
in Stufen von einem Minimalwert zu einem Maximalwert bzw. von einem
kleineren Wert zu einem größeren Wert oder umgekehrt
verändert. Vorzugsweise wird die Umdrehungsfrequenz jedoch
während eines einzigen Hubes des Bearbeitungswerkzeugs mehrfach
zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert die Umdrehungsfrequenz
variiert.
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Der
Begriff „Hub" des Bearbeitungswerkzeuges bezeichnet hier
jeweils eine einzige Hin- und Herbewegung, wie sie beispielsweise
zwischen dem oberen Umkehrpunkt einer Hubbewegung und dem direkt
nachfolgenden nächsten oberen Umkehrpunkt einer Hubbewegung
vorliegt. Am Ende eines Hubes ist somit die Axialposition des Bearbeitungswerkzeuges
im Wesentlichen die gleiche wie zu Beginn eines Hubes. Vergeht beispielsweise
zwischen einem oberen Umkehrpunkt und dem nächsten oberen
Umkehrpunkt der Werkzeugbewegung eine Sekunde, so beträgt
die zugehörige Hubfrequenz H ein Hertz (d. h. 1 Hz bzw.
1 s–1).
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Das
Ausmaß der Modulation der Umdrehungsfrequenz kann der Bearbeitungsaufgabe
angepasst werden. Bei manchen Ausführungsformen wird die
Umdrehungsfrequenz im Modulationszeitintervall zwischen einem Minimalwert
und einem Maximalwert der Umdrehungsfrequenz variiert, wobei der
Maximalwert mindestens 10%, vorzugsweise zwischen 20% und 100% größer
ist als der Minimalwert. Hierdurch kann in weiten Grenzen eine optimale
Kinematik der Arbeitsbewegung des Bearbeitungswerkzeugs eingestellt
werden.
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Bei
einer periodischen Modulation der Umdrehungsfrequenz kann die Umdrehungsfrequenz
innerhalb des Modulationszeitintervalls periodisch um eine Nenn-Umdrehungsfrequenz
U0 zwischen einer maximalen Umdrehungsfrequenz
UMAX und einer minimalen Umdrehungsfrequenz
UMIN variiert werden, wobei eine prozentuale
Umdrehungsfrequenz-Abweichung ΔU = UMAX – U0 oder ΔU = U0 – UMIN z. B. zwischen 1% und 80%, insbesondere
zwischen 5% und 50% der Nenn-Umdrehungsfrequenz betragen kann.
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Auch
die Geschwindigkeit der durch die Modulation erzeugten Änderung
der Umdrehungsfrequenz kann im Bearbeitungsprozess in weiten Grenzen
angepasst werden. Bei bevorzugten Bearbeitungsvarianten liegt ein
Periodizitätszeitintervall der Modulation zwischen 0,01
Sekunden und 10 Sekunden, insbesondere zwischen 0,1 und 5 Sekunden. Bei
einer periodischen Umdrehungsfrequenz-Modulation wird das Periodizitätszeitintervall
beispielsweise durch den zeitlichen Abstand zweier aufeinander folgender
Zeitpunkte mit maximaler Umdrehungsfrequenz oder durch den zeitlichen
Abstand zweier aufeinander folgender, gleichgerichteter Durchtritte
der Umdrehungsfrequenz durch die Nenn-Umdrehungsfrequenz bestimmt.
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Bei
vielen Verfahrensvarianten wird die Hubfrequenz konstant gehalten,
so dass die Hubgeschwindigkeit zwischen einem oberen Umkehrpunkt und
einem unteren Umkehrpunkt der Hubbewegung periodisch variiert. Die
Hubgeschwindigkeit kann dabei beispielsweise einen im Wesentlichen
sinusförmigen Verlauf haben, häufig wird jedoch
im Bereich der Umkehrpunkte eine scharfe Umsteuerung eingestellt,
so dass das Bearbeitungswerkzeug bis in unmittelbare Nähe
der Umkehrpunkte mit im Wesentlichen konstanter Hubgeschwindigkeit
bewegt werden kann.
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Bei
manchen Verfahrensvarianten wird das Bearbeitungswerkzeug während
des Modulationszeitintervalls mit einer zeitlich variierenden Hubfre quenz bewegt,
wobei vorzugsweise die Umdrehungsfrequenz konstant gehalten wird.
Auch hierbei ist es bei geeigneter Einstellung möglich,
am bearbeiteten Werkstück schlangenlinienförmige
Bearbeitungsspuren zu erzeugen.
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Bei
manchen Verfahrensvarianten wird sowohl die Umdrehungsfrequenz,
als auch die Hubfrequenz innerhalb des Modulationszeitintervalls
variiert. Bei dieser Verfahrensvariante können insbesondere
die zeitliche Variation der Umdrehungsfrequenz und die zeitliche
Variation der Hubfrequenz derart aufeinander abgestimmt sein, dass
sich am bearbeiteten Werkstück ähnlich wie bei
konventioneller Bearbeitung im Wesentlichen geradlinig verlaufende Bearbeitungsspuren
ergeben. Eine solche Angleichung der Hubgeschwindigkeit an die zeitlich
variierende Drehgeschwindigkeit kann beispielsweise beim Zwischenhonen
oder Plateauhonen von Graugussmaterial gewünscht sein,
da bei diesen Bearbeitungsvarianten häufig bestimmte Honwinkel
(Winkel zwischen Bearbeitungsspuren) gefordert werden.
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Bei
manchen Verfahrensvarianten wird eine zeitliche Variation der Hubfrequenz
und/oder einen zeitliche Variation der Drehfrequenz derart erzeugt, dass
an dem Werkstück mindestens zwei in Axialrichtung der Bohrung
benachbarte Bohrungsabschnitte mit unterschiedlichen Kreuzungswinkeln zwischen
Bearbeitungsspuren erzeugt werden. Das kann beispielsweise dadurch
erreicht werden, dass bei konstanter Hubfrequenz die Drehfrequenz
nach einem vorgebbaren Schema während eines halben Hubes
einmal oder mehrfach geändert wird und/oder dadurch, dass
die Drehfrequenz konstant gehalten wird und die Hubfrequenz nach
einem vorgebbaren Schema während einer in Axialrichtung
verlaufenden Hubbewegung einmal oder mehrfach geändert
wird. Auf diese Weise kann z. B. eine Zylinderlauffläche
erzeugt werden, die mehrere axiale Abschnitte mit unterschiedlichen
tribologischen Eigenschaften aufweist. Damit kann die Struktur der
bearbeiteten Bohrungsin nenfläche in Abhängigkeit
von der Axialposition an unterschiedliche hydrodynamische Bedingungen
angepasst werden, die sich durch Unterschiede der Kolbengeschwindigkeit
im Betrieb ergeben.
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Bei
manchen Verfahrensvarianten wird ein mittlerer Bohrungsabschnitt
erzeugt, an den zu den Bohrungsenden hin zwei axiale Bohrungsendabschnitte
angrenzen, wobei im mittleren Bohrungsabschnitt die Bearbeitungsspuren
erste Kreuzungswinkel einschließen und in den axialen Bohrungsendabschnitten
die Bearbeitungsspuren zweite Kreuzungswinkel einschließen,
die sich von den ersten Kreuzungswinkeln unterscheiden. Auf diese
Weise kann z. B. eine Zylinderlauffläche erzeugt werden, die
im Bereich des oberen und des unteren Totpunkts der Kolbenbewegung
tribologisch andere Eigenschaften aufweist als in dem mittleren
Bohrungsabschnitt, in dem die Kolbengeschwindigkeit höher
ist. Die Bearbeitung kann auch so gestaltet werden, dass sich die
Kreuzungswinkel (insbesondere Honwinkel) in den axialen Endabschnitten
unterscheiden. Der Unterschied der Kreuzungswinkel zwischen benachbarten
Bohrungsabschnitten kann relativ klein sein und beispielsweise zwischen
ca. 10° und ca. 30° liegen. Er kann jedoch auch
relativ groß sein und beispielsweise zwischen ca. 30° bis
60° und ca. 90° bis 110° oder darüber
liegen. Bei manchen Varianten werden in mindestens einem der Bohrungsabschnitte relativ
große Kreuzungswinkel von mehr als 120° und vorzugsweise
weniger als 170° erzeugt, so dass Bearbeitungsspuren relativ
kleine Winkel von ca. 30° oder weniger mit der Axialrichtung
der Bohrung einschließen.
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Die
Erfindung betrifft auch eine insbesondere zur Durchführung
des Verfahrens geeignete und entsprechend angepasste Bearbeitungsmaschine
zur Bearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung und einem
Werkstück. Diese hat mindestens eine Werkzeugspindel zur
Bewegung eines an die Werkzeugspindel angekoppelten Bearbeitungswerkzeugs
innerhalb der Bohrung, Antriebseinrichtungen zur Erzeugung einer
Hubbewegung der Werkzeugspindel in axialer Richtung der Werkzeugspindel
mit einer Hubfrequenz und einer gleichzeitigen Drehbewegung der
Werkzeugspindel mit einer Umdrehungsfrequenz, sowie eine Steuereinheit
zur Steuerung der Hubbewegung und der Drehbewegung. Die Steuereinheit
hat Einrichtungen zur Einstellung einer definierten Modulation der
Umdrehungsfrequenz und/oder der Hubfrequenz der Werkzeugspindel.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein insbesondere mit Hilfe des Verfahrens
herstellbares Werkstück mit mindestens einer Bohrung, die
eine im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstückes
tribologisch beanspruchte Innenfläche hat, insbesondere
einen Zylinderblock für eine Brennkraftmaschine mit mindestens
einer Bohrung mit einer als Zylinderlauffläche dienenden
Innenfläche, wobei die Innenfläche eine Oberflächestruktur
mit sich überkreuzenden, durch langgestreckte Vertiefungen
gebildeten Bearbeitungsspuren hat. Das Werkstück ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsspuren einen schlangenlinienförmigen
Verlauf haben.
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Diese
und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren
in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der
Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für sich schutzfähige Ausführungen
darstellen können. Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Gesamtansicht einer Honmaschine, die als Bearbeitungsmaschine
zur Durchführung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Bearbeitungsverfahrens eingesetzt werden kann;
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2 zeigt
ein schematisches Diagramm zu einem Verfahren, bei dem die Umdrehungsfrequenz periodisch
moduliert wird;
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Bohrungsinnenfläche
mit schlangenlinienförmig verlaufenden Honriefen; und
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4A,
B zeigen schematische Ansichten von Bohrungsinnenflächen
von Zylinderbohrungen, wobei die bearbeiteten Zylinderlaufflachen
einen mittleren Bohrungsabschnitt und zwei axiale Bohrungsendabschnitte
haben, und die Honwinkel des mittleren Bohrungsabschnittes sich
von den Honwinkeln der Bohrungsendabschnitte unterscheiden.
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In 1 ist
schematisch die Vorderansicht einer Honmaschine 100 gezeigt,
die im Rahmen verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren
zur Bearbeitung von Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken
als Bearbeitungsmaschine eingesetzt werden kann, um eine oder mehrere Honoperationen
an dem Werkstück auszuführen.
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Auf
dem Maschinenbett 102 der Honmaschine ist eine Hufspannplatte 104 befestigt,
die ein darauf aufgespanntes Werkstück 106 trägt,
bei dem es sich im Beispielsfall um einen Zylinderblock einer mehrzylindrigen
Brennkraftmaschine handelt. In dem Zylinderblock sind mehrere Zylinderbohrungen
mit generell vertikaler Ausrichtung ihrer Zylinderachsen gebildet.
Die durch die Innenflächen der Zylinderbohrungen gebildeten
Zylinderlaufflächen werden auf der Honmaschine einer qualitätsbestimmenden
Endbearbeitung unterzogen, bei der sowohl die Makroform der Zylinderlaufflächen,
als auch deren Oberflächentopographie durch geeignete Honprozesse
erzeugt wird.
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Bei
der zweispindligen Honmaschine 100 sind auf einer portalartigen
Trägerkonstruktion 108 zwei im wesentlichen identisch
aufgebaute Honeinheiten 110, 112 befestigt, die
abwechselnd oder gleichzeitig bei der Werkstückbearbeitung
eingesetzt werden können. Ihr Aufbau wird anhand der Honeinheit 110 näher
erläutert. Die Honeinheit umfasst einen auf der Trägerkonstruktion
befestigten Spindelkasten 114, der die als Werkzeugspindel
der Bearbeitungsmaschine dienende Honspindel 116 führt.
Die Honspindel lässt sich mit Hilfe eines am Spindelkasten
befestigten Spindelmotors 118 um ihre Längsachse
drehen. Am unteren Ende der Honspindel ist eine Gelenkstange 120 angebracht,
an deren unteres, freies Ende das als Bearbeitungswerkzeug dienende
Honwerkzeug 130 begrenzt beweglich mechanisch angekoppelt
ist. Ein auf dem Spindelkasten 114 montierter Hubantrieb 124 bewirkt
die Vertikalbewegung 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 oszillierende Hubbewegung in Form einer vertikalen Hin- und
Herbewegung ausführt.
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Die
Honmaschine hat eine Steuereinheit 150, die u. a. mit dem
Spindelmotor 118 und dem Hubantrieb 124 verbunden
ist und die es dem Bediener der Honmaschine erlaubt, für
einen bestimmten Honprozess die Umdrehungsfrequenz (Drehzahl) U
der Honspindel sowie die Hubfrequenz H der vertikalen Hin- und Herbewegung
unabhängig voneinander einzustellen. Eine Besonderheit
der Steuereinheit besteht darin, dass sie mit Hilfe geeigneter Steuerungssoftware
und/oder Steuerungshardware dafür konfiguriert ist, für
den Bearbeitungsprozess eine definierte zeitliche Variation der
Umdrehungsfrequenz und/oder der Hubfrequenz einzustellen. Dadurch kann
erreicht werden, dass die Umdrehungsfrequenz als Funktion der Bearbeitungszeit
t gemäß einer variablen Zeitfunktion U(t) und/oder
die Hubfrequenz als Funktion der Bearbeitungszeit gemäß H(t)
vorgegeben werden kann. Da sich somit die Umdrehungsfrequenz und/oder
die Hubfrequenz während eines bestimmten Bearbeitungszeitintervalls
verändern können, sind diese Begriffe im Rahmen
dieser Anmeldung zu verstehen als die zu einem gewissen Zeitpunkt
t während der Bearbeitung vorliegende momentane Umdrehungsfrequenz
bzw. Hubfrequenz. Die hierdurch mögliche definierte Modulation
der Umdrehungsfrequenz und/oder der Hubfrequenz kann für
die gesamte Bearbeitungsdauer einer gewissen Honstufe vorgegeben
werden. Es ist auch möglich, dass die Umdrehungsfrequenz
und/oder die Hubfrequenz nur während eines Bruchteiles
der Gesamt-Bearbeitungsdauer einer Honstufe moduliert werden. Das
Zeitintervall, innerhalb dessen eine Veränderung bzw. Modulation
der Umdrehungsfrequenz und/oder der Hubfrequenz erfolgt, wird im
Folgenden als „Modulationszeitintervall" bezeichnet, das
dementsprechend der gesamten Bearbeitungsdauer oder nur einem Teil
der Bearbeitungsdauer entsprechen kann.
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Anhand
von 2 wird beispielhaft ein Verfahren zur Bearbeitung
von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken
für eine Brennkraftmaschine erläutert, bei dem
die Umdrehungsfrequenz der Honspindel innerhalb eines Modulationszeitintervalls
periodisch moduliert bzw. variiert wird, während die Hubfrequenz,
wie bei herkömmlichen Bearbeitungsverfahren, im Wesentlichen
konstant bleibt. Zunächst wird an der Steuereinheit 150 die
für den Bearbeitungsprozess gewünschte Nenn-Drehzahl
bzw. Nenn-Umdrehungsfrequenz U0 eingestellt. Die
Nenn-Drehzahl kann bei üblichen Honverfahren beispielsweise
zwischen ca. 30 min–1 und 400 min–1 liegen und ist generell abhängig
von der gewünschten Schnittgeschwindigkeit, mit der die
Bearbeitungselemente des Honwerkzeuges den Materialabtrag an der
Bohrungsinnenwand erzeugen sollen. Typische Schnittgeschwindigkeiten
liegen häufig zwischen ca. 40 m/s und ca. 120 m/s, so dass
sich in Abhängigkeit vom Durchmesser der Bohrung typische
Nenn-Drehzahlen im oben angegebenen Bereich ergeben. Im Beispielsfall
wird mit einer Nenn-Drehzahl von U0 = 350
min–1 gearbeitet.
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Im
Beispielsfall ist es gewünscht, eine periodische Modulation
der Umdrehungsfrequenz mit einem Periodizitätszeitintervall
P zwischen aufeinanderfolgenden, gleichen Phasen der Umdrehungsfrequenzänderung
einzustellen, wobei die momentane Umdrehungsfrequenz U(t) symmetrisch
um die Nenn-Drehfrequenz zwischen einem Maximalwert UMAX und
einem Minimalwert UMIN der Umdrehungsfrequenz
schwankt. Die Drehzahl soll also während des Modulationszeitintervalls
auf- und abschwellen. Hierzu wird an der Steuereinheit 150 die
gewünschte Abweichung ΔU von der Nenn-Umdrehungsfrequenz eingestellt.
Wird im Beispielsfall eine Abweichung von ±20% um die Nenn-Umdrehungsfrequenz
eingestellt, so schwankt die momentane Umdrehungsfrequenz bei einer
Nenn-Umdrehungsfrequenz U0 = 350 min–1 zwischen UMIN =
280 min–1 und UMAX =
420 min–1.
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Weiterhin
ist an der Steuereinheit 150 die gewünschte Änderungsgeschwindigkeit δU/δt
der Umdrehungsfrequenz unabhängig von der Nenn-Umdrehungsfrequenz
und der gewünschten Abweichung ΔU einstellbar.
Hierzu kann an der Steuereinheit 150 ein gewünschtes
Zeitinkrement δt eingestellt werden, innerhalb dessen sich
die Umdrehungsfrequenz um ein Frequenzinkrement δU ändern
soll. Im Beispielsfall wird ein Zeitinkrement δt = 0,15
s und ein Frequenzinkrement δU = 10 min–1 eingestellt.
Dadurch dauert es z. B. ca. 1 Sekunde (1,05 s), bis die momentane
Umdrehungsfrequenz von der Nenn-Umdrehungsfrequenz U0 =
350 min–1 bis zur maximalen Umdrehungsfrequenz
UMAX = 420 min–1 in
relativ kleinen Schritten gesteigert ist. Somit ergibt sich bei
diesen Einstellungen ein Periodizitätszeitintervall P von ca.
4,2 s. Dieser Wert entspricht der „Wellenlänge" der
periodischen Modulation.
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Die „Amplitude"
der Modulation, gegeben durch die Umdrehungsfrequenz-Abweichung ΔU,
sowie die „Wellenlänge" der Modulation, gegeben durch
das Periodizitätszeitintervall P, können in weiten
Grenzen va riiert und dadurch der gewünschten Bearbeitungsaufgabe
angepasst werden. Bei der Ausführungsform ist eine Umdrehungsfrequenz-Abweichung ΔU
von der Nenn- Umdrehungsfrequenz U0 zwischen
0% und 50% einstellbar. Das Zeitinkrement δt kann zwischen
0,001 s und 10 s, d. h. um einen Faktor 10.000, variiert werden.
Das Frequenzinkrement δU kann beispielsweise zwischen 1
min–1 und 50 min–1 verstellt
werden.
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Für
die Hubfrequenz H existieren entsprechende Einstellmöglichkeiten
zur Einstellung einer zeitabhängigen Hubfrequenz H(t).
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Durch
das Verhältnis zwischen der eingestellten „Wellenlänge"
der periodischen Modulation der Drehzahl und der zugehörigen
Hubfrequenz können nun unterschiedliche Bearbeitungskinematiken eingestellt
werden. Beispielhaft sei annähernd von der oben dargestellten
Einstellung für die Drehzahlmodulation ausgegangen, wobei
aus Vereinfachungsgründen angenommen sei, dass das Periodizitätszeitintervall
P der Drehfrequenzmodulation 4 Sekunden betrage. Geht man nun von
einer Hubfrequenz von 1 Hz aus, so würde die Drehfrequenz
sich ausgehend von der Nenn-Umdrehungsfrequenz nach einem Hub z.
B. zunächst auf die maximale Umdrehungsfrequenz erhöhen,
nach dem zweiten Hub wäre wieder die Nenn-Umdrehungsfrequenz
erreicht, nach dem dritten Hub wäre der Minimalwert der
Umdrehungsfrequenz erreicht und nach dem vierten Hub läge
wieder die Nenn-Umdrehungsfrequenz vor. Innerhalb eines Hubes würde
sich somit die Umdrehungsfrequenz um ±70 min–1 verändern,
und zwar beim ersten Hub zu größeren Werten, beim
zweiten und dritten Hub zu jeweils kleineren Werten und beim vierten Hub
wieder zu größeren Werten. Stellt man dagegen bei
gleicher Hubfrequenz und gleicher Abweichung ΔU von der
Nenn-Umdrehungsfrequenz (±20%) eine deutlich niedrigere
Umdrehungsfrequenz ein, beispielsweise nur ein Zehntel der oben
beispielhaft genannten Nenn-Umdrehungsfrequenz (also z. B. U0 = 35 min–1),
dann würde bei gleichen Inkrementen innerhalb jedes Hubes
ein mehrfacher Wechsel zwischen der minimalen Umdrehungsfrequenz
und der maximalen Umdrehungsfrequenz stattfinden. Die Anzahl der
Wechsel zwischen minimaler und maximaler Umdrehungsfrequenz während
eines Hubes kann somit in weiten Grenzen variiert werden.
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Im
Folgenden wird eine Variante eines Verfahrens zur Bearbeitung von
Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken
für Brennkraftmaschinen beschrieben, bei dem in mindestens
einer Bearbeitungsstufe eine definierte Modulation der Umdrehungsfrequenz
in der oben beschriebenen Weise eingestellt wird. Dabei wird das
Honwerkzeug 130 innerhalb der zu bearbeitenden Bohrung
mit konstanter Hubfrequenz axial hin- und herbewegt, so dass eine
Auftragung der Axialposition des Honwerkzeuges über die
Zeit einen im Wesentlichen zickzackförmigen Verlauf mit
relativ scharfen Umsteuerpunkten an den axialen Endpositionen zeigt.
Dieser axialen Hin- und Herbewegung ist eine Drehbewegung des Honwerkzeuges überlagert,
bei der sich die Umdrehungsfrequenz und damit die Umdrehungsgeschwindigkeit
des Honwerkzeuges während eines jeden Hubes mehrfach zwischen
einem Maximalwert und einem Minimalwert periodisch ändert.
Dadurch wird erreicht, dass auch das Verhältnis zwischen
der parallel zur Bohrungsachse verlaufenden axialen Komponente der
Schnittgeschwindigkeit und der in Umfangsrichtung mit der Bohrung
verlaufenden Umfangskomponente der Schnittgeschwindigkeit periodisch
variiert. Hierdurch entsteht an der bearbeiteten Innenfläche
der Bohrung das anhand von 3 näher
erläuterte Schliffbild mit sich überkreuzenden
Bearbeitungsspuren, die jeweils einen schlangenlinienförmigen
Verlauf haben.
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3 zeigt
stark schematisiert und nicht maßstabsgetreu einen Ausschnitt
einer Bohrungsinnenfläche 310 einer Zylinderbohrung
in einem Zylinderblock nach Abschluss einer Honbearbeitungsstufe,
bei der mit konstanter Hubfrequenz und periodisch modulierter Umdrehungsfre quenz
bearbeitet wurde. Gezeigt ist ein Ausschnitt in unmittelbarem Anschluss
an die später dem Zylinderkopf zugewandte Zylinderoberkante 311,
die senkrecht zur Axialrichtung 312 der Bohrung verläuft.
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Die
Bearbeitungsspuren des Honens werden häufig als „Honspuren"
bezeichnet. Je nach Verhältnis der Axialgeschwindigkeits-Komponente
und der Umfangsgeschwindigkeits-Komponente der Bewegung des Honwerkzeuges
innerhalb der Bohrung schließen die Honspuren unterschiedliche
Winkel zur Axialrichtung 312 der Bohrung bzw. unterschiedliche Winkel
zueinander ein. Der von den Honspuren eingeschlossene Kreuzungswinkel
der Honspuren wird üblicherweise als „Honwinkel"
HW bezeichnet. Je größer die Geschwindigkeit in
Axialrichtung relativ zur Geschwindigkeit in Umfangsrichtung wird,
desto größer wird der Honwinkel und desto kleiner
wird der Winkel WA zur Axialrichtung.
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Mit
gestrichelten Linien sind für Vergleichszwecke Honspuren 320 einer
konventionellen Bearbeitung mit konstanter Hubfrequenz und konstanter Umdrehungsfrequenz
dargestellt. Die Honspuren verlaufen im Wesentlichen geradlinig
und weitestgehend parallel zueinander in sich überkreuzenden Richtungen,
wobei sich im gesamten bearbeiteten Bereich im Wesentlichen die
gleichen Honwinkel zwischen den gradlinigen Bearbeitungsspuren ergeben.
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Bei
einer Bearbeitung mit Modulation der Umdrehungsfrequenz kann dagegen
ein Schliffbild entstehen, bei dem die einzelnen Honspuren aufgrund
der Variation der momentanen Umdrehungsgeschwindigkeit einen schlangenlinienförmigen
Verlauf haben. Dieser durch einen mehrfachen Wechsel der Verlaufsrichtung
der Honspur gekennzeichnete Verlauf wird dann besonders deutlich
erkennbar, wenn die Umdrehungsfrequenz sich während eine einzigen
Hubes mehrfach zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert ändert,
z. B. mindestens viermal oder mindestens sechsmal oder mindestens
achtmal oder mindestens zehn mal. Je häufiger die momentane
Umdrehungsfrequenz während eines einzigen Hubes zwischen
Minimalwert und Maximalwert variiert, desto geringer wird die Periodizitätslänge
des schlangenlinienförmigen Verlaufes, der in 3 stark
schematisch dargestellt ist. Die Schwankungsbreite SB der Bearbeitungsspuren quer
zur mittleren Ausrichtung (die im Beispielsfall der Ausrichtung
der konventionellen Honspuren 320 entspricht) ist dabei
um ein Vielfaches größer als die Breite der Honspuren,
die typischerweise im Bereich einiger Mikrometer liegt. Die Schwankungsbreite
SB kann z. B. zwischen ca. 0,04 mm und ca. 5 mm mm liegen. Als Folge
des schlangenlinienförmigen Verlaufes der sich überkreuzenden
Bearbeitungsspuren variiert der Honwinkel in Abhängigkeit
vom Ort der Innenfläche, so dass beispielsweise der in
der Mitte links erkennbare erste Honwinkel HW1 deutlich kleiner
ist als der in unmittelbarer Nähe darunter liegende zweite
Honwinkel HW2. Die Breite des Spektrums der Honwinkel kann durch
die Parameter der Frequenzmodulation der Umdrehungsfrequenz eingestellt
werden. Der schlangenlinienförmige Verlauf der Honriefen
kann unter gewissen Betriebsbedingungen zur Reduzierung des Schmiermitteltransportes
entlang der Honriefen führen, so dass sich die Haltefähigkeit
der auf diese Weise strukturierten Oberfläche für
den Schmierfilm verbessert.
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Die 4A und 4B zeigen
jeweils stark schematisiert und nicht maßstabsgetreu jeweils
einen Ausschnitt von Bohrungsinnenflächen von Zylinderbohrungen
in einem Zylinderblock oder einer Zylinderlaufbuchse nach Abschluss
einer Honbearbeitungsstufe, bei der mit konstanter Hubfrequenz und zeitlich
variabler Umdrehungsfrequenz bearbeitet wurde. Gezeigt ist jeweils
im Wesentlichen die gesamte axiale Länge der Zylinderlauffläche
zwischen der im betriebsfertig montierten Zustand dem Zylinderkopf
zugewandten Zylinderoberkante 411 bzw. 451 und
der jeweils gegenüberliegenden Zylinderunterkante 412 bzw. 452.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 4A wurde
die Werkzeugbewegung so angesteuert, dass während einer
Axialbewegung des Bearbeitungswerkzeuges von der Zylinderoberkante
zur Zylinderunterkante bzw. zurück in dieser Reihenfolge ein
Bearbeitungszeitintervall mit relativ niedriger Umdrehungsfrequenz,
ein Bearbeitungszeitintervall mit relativ hoher Umdrehungsfrequenz
und danach wieder ein Bearbeitungszeitintervall mit relativ niedriger Umdrehungsfrequenz
vorlag. Dadurch wurde das Verhältnis zwischen der parallel
zur Bohrungsachse verlaufenden axialen Komponente der Schnittgeschwindigkeit
und der in Umfangsrichtung der Bohrung verlaufenden Umfangskomponente
der Schnittgeschwindigkeit so variiert, dass in dem an die Zylinderoberkante
anschließenden oberen axialen Bohrungsendabschnitt 430 und
in dem an die gegenüberliegende Zylinderunterkante anschließenden
unteren Bohrungsendabschnitt 440 jeweils im Wesentlichen geradlinige
Honspuren mit einem Honwinkel HW von über 100° (hier
ca. 140°) erzeugt wurden, während in dem dazwischenliegenden
Bohrungsmittelabschnitt 420 deutlich kleinere Bearbeitungswinkel
in der Größenordnung von ca. 50° erzeugt
wurden. Damit liegen im Bereich des oberen und des unteren Totpunktes
der Kolbenbewegung, wo die Kolbengeschwindigkeit relativ klein ist,
jeweils relativ große Honwinkel (Kreuzungswinkel zwischen
Bearbeitungsspuren) vor, während in dem mittleren Bereich
relativ hoher Kolbengeschwindigkeit deutlich kleinere Honwinkel vorliegen.
Es ist ersichtlich, dass hierdurch an den axialen Enden der bearbeiteten
Bohrung andere tribologische Eigenschaften vorliegen als im mittleren Bohrungsabschnitt.
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Bei
der anhand von 4B erläuterten Variante
wird für die Bearbeitung der Bohrungsendabschnitte 470, 480 bei
gleicher Hubfrequenz eine höhere Umdrehungsfrequenz eingestellt
als für die Bearbeitung des dazwischenliegenden mittleren Bohrungsabschnitt 460.
Dadurch wird erreicht, dass bei dieser Variante die Honwinkel in
den Bohrungsendabschnitten 470, 480 deutlich kleiner
sind als im mittleren Bohrungsabschnitt 460.
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Hier
können beispielsweise umgekehrte Verhältnisse
vorliegen, wie bei der Ausführungsform von 4A.
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Das
Verhältnis von (momentaner) Hubfrequenz und (momentaner)
Umdrehungsfrequenz kann selbstverständlich in Abhängigkeit
von der Zeit bzw. von der Axialposition des Bearbeitungswerkzeuges
so eingestellt werden, dass an der Innenfläche der zu bearbeitenden
Bohrung nur zwei axiale Bohrungsabschnitte mit unterschiedlichen
Honwinkeln erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Kolbenlauffläche
erzeugt werden, bei der nur der dem Zylinderkopf zuzuwendende obere
Bohrungsendabschnitt und ein daran angrenzender Bohrungsabschnitt
vorgesehen sind, der den gesamten Bereich der Zylinderlauffläche
zwischen dem oberen Bohrungsendabschnitt und der Zylinderunterkante
umfasst. Hierdurch kann insbesondere der obere Zwickelbereich der
Bohrung, wo die Kolbenringe ihren oberen Umkehrpunkt erreichen,
besondere tribologische Eigenschaften erhalten.
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Beispielsweise
können in diesem oberen Bohrungsendabschnitt relativ große
Honwinkel von mehr als 120° bis z. B. ca. 170° erzeugt
werden, wie sie beispielsweise in der
DE 196 07 774 B4 offenbart sind,
während die übrige Bohrungsinnenfläche
Bearbeitungsspuren mit deutlich geringeren Honwinkeln (beispielsweise
bis maximal 60°) aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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