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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Feinbearbeiten eines Werkstücks
mit Hilfe eines Rotationswerkzeuges, insbesondere eines Rotationswerkzeuges
mit einer Vielzahl von geometrisch unbestimmten Schneiden, sowie
auf eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Feinbearbeitungsvorrichtung.
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Bei
verschiedenen Feinbearbeitungsverfahren zum Bearbeiten von Werkstücken
mit Hilfe eines Rotationswerkzeuges ist es üblich, das
Rotationswerkzeug zunächst in einer Anfahrphase bis in
eine Startstellung mit Werkstückkontakt, d. h. mit Berührungskontakt
zwischen Rotationswerkzeug und Werkstück zu bringen und
eine Zustellung des Rotationswerkzeuges in einer der Anfahrphase
folgenden Bearbeitungsphase in Abhängigkeit von der Startstellung
zu steuern. Ein Beispiel hierfür ist das Honen der Innenflächen
von Bohrungen. Das klassische Honen ist ein Zerspanungsverfahren
mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem vielschneidige Honwerkzeuge
eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführen,
die zu einer charakteristischen Oberflächenstruktur der
bearbeiteten Innenfläche mit überkreuzten Bearbeitungsspuren führt.
Auf diese Weise werden beispielsweise im Motorenbau Zylinderlaufflächen
bearbeitet. Das Honen wird aber auch bei Bohrungen mit wesentlich
kleineren Durchmessern eingesetzt, beispielsweise bei der Bearbeitung
von Kleinstbohrungen in Einspritzpumpenbauteilen.
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Die
zum Bearbeiten von Bohrungsinnenflächen eingerichteten
Honwerkzeuge haben einen radial aufweitbaren Werkzeugabschnitt,
dessen aktueller Außendurchmesser den Wirkdurchmesser des Honwerkzeuges
bestimmt. Zur Vorbereitung der Bearbeitung wird ein Honwerkzeug
zunächst mit kleinem Wirkdurchmesser in eine Bohrung eingeführt und
danach aufgeweitet, bis die gewünschte Startstellung für
den Honprozess erreicht ist. Bei relativ stabilen Honwerkzeugen
mit großen Durchmessern wird die Startstellung in der Regel
automatisch kraftgesteuert ermittelt, indem das Honwerkzeug über eine
Aufweitsteuerung aufgeweitet wird, bis die abrasive Außenseite
des Werkzeugabschnittes in Berührungskontakt bzw. Eingriff
mit der zu bearbeitenden Bohrungsinnenfläche kommt, wobei
beispielsweise das Drehmoment des Aufweitmotors überwacht
oder ein Kraftsensor eingesetzt wird, um das Erreichen der gewünschten
Startstellung zu ermitteln. Ist die Startstellung erreicht, wird
das Steuerprogramm für den nachfolgenden Bearbeitungsprozess
eingeleitet. Diese Vorgehensweise, die auch als „automatisches Anlegen"
bezeichnet wird, garantiert einen konstanten Anlegewert der Bearbeitungskraft
zum Beginn des Bearbeitungsprozesses, außerdem wird die Rüstzeit
bei einem Werkzeugwechsel reduziert. In der Regel wird nach jedem
Werkzeugwechsel die Startstellung des Honprozesses neu ermittelt
werden.
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Bei
relativ kleinen Werkzeugdurchmessern, beispielsweise bei Durchmessern
von weniger als 4 mm, kann das kraftgesteuerte automatische Anlegen problematisch
werden, da die Werkzeuge häufig nicht stabil genug sind,
um die notwendigen Kräfte aufzunehmen. Als Folge davon
kann es sein, dass der Anlegewert nicht mehr zuverlässig
ermittelt werden kann, oder es kann zu Beschädigungen des Werkzeuges
kommen. Daher erfolgt das Anlegen von Honwerkzeugen bei Durchmessern
von beispielsweise kleiner 4 mm üblicherweise manuell.
Ein Bediener ermittelt dabei den Anlegewert im Handmodus der Steuerung.
Dabei wird zunächst das Honwerkzeug in die Bohrung mit
Hilfe der Hubsteuerung eingefahren. Anschließend erfolgt
das Aufweiten des Honwerkzeuges über die Aufweiteinrichtung.
Parallel zur Aufweitbewegung dreht der Bediener das Honwerkzeug
von Hand um festzustellen, wann das Honwerkzeug ausreichend Kontakt
zum Werkstück hat. Die Startstellung des Honwerkzeuges
ist beim manuellen Anlegen daher stark von der Erfahrung und dem Empfinden
des einzelnen Maschinenbedieners abhängig. Dies kann die
Qualität des Honergebnisses negativ beeinflussen und auch
zu Beschädigungen am Honwerkzeug führen. Außerdem
werden die Rüstzeiten beim Werkzeugwechsel erhöht.
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Ein
anderes Anwendungsbeispiel ist die Ventilsitzbearbeitung mit Hilfe
von Rotationswerkzeugen, die einen mit Schleifkorn besetzten Werkzeugkopf
haben, der entsprechend der gewünschten Form der Ventilsitzfläche
beispielsweise konisch gestaltet sein kann. Beispiele für
solche Prozesse, bei denen an den Ventilsitzflächen eine
für die Abdichtwirkung vorteilhafte Oberflächenstruktur
mit einer Vielzahl konzentrischer Bearbeitungsriefen erzeugt werden
kann, sind in der
DE
44 41 623 C2 oder der
EP 1 536 917 B1 gezeigt. Bei diesem Sitzbearbeitungsprozess,
der manchmal als „Sitzhonen" bezeichnet wird, wird üblicherweise
die Startstellung des Rotationswerkzeuges, von der aus der eigentliche
Material abtragende Bearbeitungsprozess beginnt, für jedes
Werkstück neu ermittelt. Die Vorgabe einer fest vorgegebenen
Startstel lung für mehrere Werkstücke hat sich
als nicht sinnvoll herausgestellt, da die Lage des zu bearbeitenden
Ventilsitzes in der Werkstückhalterung und/oder die Lage
der zu bearbeitenden Sitzfläche innerhalb des Werkstückes
variieren können. Wählt man die Startstellung
zu nahe am Werkstück, so besteht die Gefahr, dass das Rotationswerkzeug
beim Anfahren mit relativ schneller axialer Zustellgeschwindigkeit
auf die empfindliche Ventilsitzfläche auffährt.
Wählt man dagegen einen zu großen Sicherheitsabstand,
so wird die Taktzeit erheblich erhöht und der Materialabtrag
am Werkstück kann häufig nicht konstant gehalten
werden. Daher ist es in der Regel bevorzugt, mit variabler Startstellung
zu arbeiten.
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Auch
bei der Sitzbearbeitung wird daher in der Regel die Startstellung
kraftgesteuert angefahren. Hierzu fährt das Rotationswerkzeug
zunächst im Eilgang, d. h. mit relativ großer
axialer Zustellgeschwindigkeit, auf einen einmalig festgelegten
Festwert, der einem auf jeden Fall ausreichenden Sicherheitsabstand
zu dem Werkstück entspricht. Ausgehend von dieser Stellung
beginnt eine Suchfahrt mit langsamerer Zustellgeschwindigkeit, wobei
die Rotationsachse der Bearbeitungsvorrichtung mit definierter Suchdrehzahl
zugeschaltet wird. Hat das Rotationswerkzeug mit dem zu bearbeitenden
Werkstück Kontakt, so muss ein definierter Kraftwert überschritten
werden, bevor die Bearbeitungsphase beginnen kann. Das Erreichen
eines definierten Kraftwertes vor Beginn der Bearbeitungsphase wird
als vorteilhaft angesehen, da ansonsten die Abtragsleistung des
Sitzbearbeitungsprozesses nicht ausreichend konstant gehalten werden
kann. Nachteilig in dieser Verfahrensweise ist, dass je nach Werkstück
die Suchfahrt mit langsamer Zustellung des Rotationswerkzeuges relativ
lange dauern kann, wodurch sich relativ hohe Taktzeiten ergeben
können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Feinbearbeiten
von Werkstücken mit Hilfe von vielschneidigen Rotationswerk zeugen bereitzustellen,
mit dem auf wirtschaftliche Weise eine Vielzahl von Werkstücken
mit hoher Qualität bearbeitet werden können. Weiterhin
ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Feinbearbeitungsvorrichtung bereitzustellen.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren
mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Feinbearbeitungsvorrichtung
mit den Merkmalen von Anspruch 18 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen
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 Verfahren bzw. einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird mindestens ein Körperschallsensor zur
Erfassung des Erreichens der Startstellung verwendet.
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Seit
langem bekannt ist die Verwendung von Körperschallsensoren
zur Zustands- und Bruchüberwachung von rotierenden Werkzeugen,
beispielsweise Bohrern, Fräsern oder anderen Werkzeugen
mit einer oder wenigen definierten Schneiden. Bei dieser Prozessüberwachung
wird der bei der Werkstückbearbeitung auftretende Körperschall
an einer geeigneten Stelle der Bearbeitungsvorrichtung erfasst und Veränderungen
des gemessenen Körperschalls mit dem Verschleiß oder
dem Bruch eines Werkzeuges werden zur Erkennung des Werkzeugzustandes
herangezogen. Die Patentschrift
DE 36 27 796 C1 zeigt hierzu beispielhaft
eine Vorrichtung zur Zustands- und Bruchüberwachung von
rotierenden Werkzeugen mit Körperschallmessungen, bei der
Körperschallsignale von einem Körperschallsensor über eine
bereits im Betriebsstoffkreislauf der Maschine vorhandene Flüssigkeit
aufgenommen werden. Dabei wird ausgenutzt, dass infolge des Spanabtrages im
Werkzeug oder Werkstück wirkende Kräfte das Werkstück
und Maschinenelemente zu messbaren Schwingungen anregen, die mit
Hilfe eines Sensors erfasst wer den. Ein Sensor, der zur Erfassung
akustischer Emissionen geeignet ist, wird in dieser Anmeldung als „Körperschallsensor"
bezeichnet.
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Bei
bekannten Systemen werden die während des Materrialabtrags
entstehenden Körperschallsignale von speziellen Diagnose-
und Monitoringsystemen zeitnah analysiert, bewertet, gegebenenfalls
visualisiert und ermöglichen Aussagen über die
Werkstückqualität, den Verschleißzustand
der eingesetzten Werkzeuge oder den aktuellen Maschinenzustand.
Bei Verfahren und Vorrichtungen der Erfindung werden dagegen auch
solche Körperschallsignale erfasst und ausgewertet, die
auftreten, wenn das Rotationswerkzeug noch nicht in Berührungskontakt
bzw. Eingriff mit dem zu bearbeitenden Werkstück steht.
Insbesondere werden Körperschallsignale bei einer Zustellung
des Rotationswerkzeuges in einer Phase ohne Berührungskontakt
zwischen Rotationswerkzeug und Werkstück erfasst und ausgewertet
und eine vorgegebene Änderung der Körperschallsignale
bei Entstehen eines Berührungskontaktes zwischen Rotationswerkzeug
und Werkstück wird zur Ermittlung der Startstellung verarbeitet.
Eine an den Körperschallsensor angeschlossene Auswerteeinrichtung
kann hierfür eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen
eines ersten Körperschallsignals ohne Berührungskontakt
zwischen Rotationswerkzeug und Werkstück und eines zweiten
Körperschallsignals mit Berührungskontakt zwischen
Rotationswerkzeug und Werkstück enthalten, beispielsweise
in Form geeigneter Auswertungs-Software.
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Bei
Verwendung mindestens eines Körperschallsensors zum Erfassen
des Werkstückkontakts beim Anfahren eines Werkstückes
durch ein Rotationswerkzeug kann der erste Werkstückkontakt
sehr empfindlich und weitgehend ohne mechanische Beanspruchung des
Werkzeuges und des Werkstückes detektiert werden. Dadurch
können automatische Anfahrprozeduren, wie sie z. B. im
einleitenden Teil am Beispiel von Honwerkzeugen oder Ventilsitzschleifwerkzeugen
beschrieben wurden, im Hinblick auf Werkzeugbelastung, Werkstückbelastung
und erzielbaren Taktzeiten optimiert werden. Zudem kann die Startstellung
mit Erstkontakt zwischen Werkzeug und Werkstück bedienerunabhängig
und damit gut reproduzierbar festgestellt werden.
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Die
Vorteile der Nutzung von Körperschallsignalen können
auch im weiteren Ablauf eines Bearbeitungsprozesses genutzt werden.
Vorzugsweise werden Sensorsignale durch eine Auswerteeinheit auch
während der Bearbeitung des Werkstückes durch
das Rotationswerkzeug ausgewertet und die Bearbeitung wird unter
Verwendung der Sensorsignale überwacht und gegebenenfalls
gesteuert, um z. B. durch Veränderung von Bearbeitungsparametern wie
Zustellgeschwindigkeit, Anpressdruck und/oder Rotationsgeschwindigkeit
oder dergleichen den Bearbeitungsprozess zu optimieren.
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Ein
Körperschallsensor kann fest mit einem Maschinenelement
der Feinbearbeitungsvorrichtung verbunden sein, um dessen Schallemission
zu erfassen, beispielsweise mit der Werkstückhaltereinrichtung
oder einer festen, d. h. unbeweglichen Baugruppe einer Antriebseinheit
für das Rotationswerkzeug. Es ist auch möglich,
einen mit einem beweglichen Teil der Feinbearbeitungsvorrichtung
sich bewegenden, beispielsweise rotierenden Körperschallsensor zu
verwenden, dessen Signale über geeignete Übertrager
oder berührungslos zur Auswerteeinrichtung übertragen
werden. Bei manchen Ausführungsformen wird mindestens ein
Flüssigkeits-Körperschallsensor verwendet, der
so eingerichtet ist, dass der Körperschallsensor über
eine Flüssigkeit mit dem Rotationswerkzeug und/oder mit
einer das Rotationswerkzeug haltenden Arbeitsspindel der Bearbeitungsvorrichtung
und/oder mit einer Werkstückhaltevorrichtung und/oder mit
dem Werkstück und/oder einem anderen zu Schwingungen angeregten
Teil der Feinbearbeitungseinrichtung schallübertragend
gekoppelt werden kann. Zur Ankopplung kann beispielsweise eine für
den Bearbeitungsvorgang ohnehin verwendete Betriebs flüssigkeit,
beispielsweise ein Kühlschmierstoff, verwendet werden.
Mit Hilfe einer geeigneten Düse kann ein Strahl der Ankopplungsflüssigkeit
erzeugt werden, der auf den für die Schallerfassung gewünschten
Bereich gerichtet wird, so dass beispielsweise ein Kühlschmierstoffstrahl
als Schallwellenleiter dienen kann. Geeignete Vorrichtungen sind
in der
DE 36 27 796
C1 angegeben und werden daher hier nicht näher
erläutert. Geeignete Körperschallsensoren sind
auch über die Firma Walter Dittel GmbH, Landsberg am Lech,
erhältlich.
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Bei
manchen Verfahrensvarianten wird ein unterbrechungsfreier Übergang
zwischen der Anfahrphase und der nachfolgenden Bearbeitungsphase
gewählt. Bei anderen Ausführungsformen wird eine
Zustellung des Rotationswerkzeugs in Richtung auf das Werkstück
kurzzeitig gestoppt, wenn eine Auswerteeinrichtung anhand von Sensorsignalen des
Körperschallsensors einen Berührungskontakt zwischen
Rotationswerkzeug und Werkstück feststellt. In der Zustellpause
kann die Feinbearbeitungsmaschine automatisch oder durch einen Bediener auf
eine Bearbeitungskonfiguration umgestellt werden, mit der dann die
nachfolgende materialabtragende Bearbeitung begonnen wird. Es sind
somit in jeder Phase des Prozesses definierte Bedingungen gegeben,
die einen optimalen Bearbeitungserfolg sicherstellen.
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Der Übergang
zwischen der Anfahrphase und der Bearbeitungsphase kann unterschiedlich
gestaltet sein. Bei manchen Ausführungsformen startet ein
Bearbeitungsprogramm direkt ausgehend von der mit Hilfe des Körperschallsensors
ermittelten Startstellung. Bei anderen Verfahrensvarianten wird eine
Kombination aus Kontaktsteuerung und Kraftsteuerung benutzt. Hierbei
wird in einer Zustellphase des Rotationswerkzeugs bis zum Erreichen
der Startstellung mit einer ersten Zustellgeschwindigkeit zugestellt
und in einer der ersten Zustellphase folgenden zweiten Zustellphase
wird das Rotationswerkzeug bis zum Erreichen eines vorgebbaren Bearbeitungskraft-Schwellwertes
mit einer zweiten Zustellgeschwindigkeit gesteuert, die geringer
ist als die erste Zustellgeschwindigkeit. Hierdurch ist es möglich,
dass der eigentliche materialabtragende Bearbeitungsprozess mit
einem gut kontrollierbaren Abtrag bei einer vorgebbaren Bearbeitungskraft
beginnt. Durch die schnelle Zustellung bis zum ersten Berührungskontakt
kann die Taktzeit für den Bearbeitungsprozess im Vergleich
zu herkömmlichen Verfahren deutlich reduziert werden, was
eine wirtschaftlichere Bearbeitung in der Serienfertigung fördert.
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Bei
manchen Verfahrensvarianten, beispielsweise beim Honen von Bohrungsinnenflächen,
können mit dem Rotationswerkzeug mehrere Werkstücke
nacheinander bearbeitet werden, wobei die an einem ersten Werkstück
ermittelte Startstellung für mehrere mit dem Rotationswerkzeug
zu bearbeitende Werkstücke übernommen wird. In
solchen Fällen kann es ausreichen, eine einmalige Ermittlung
der Startstellung nach einem Werkzeugwechsel durchzuführen.
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Bei
anderen Verfahrensvarianten werden mit dem Rotationswerkzeug mehrere
Werkstücke nacheinander bearbeitet und für jedes
Werkstück wird eine werkstückspezifische Startstellung
ermittelt. Dies kann beispielsweise dann sinnvoll sein, wenn sich
aufgrund der Vorbearbeitung der Werkstücke und/oder aufgrund
unterschiedlicher Einspannungen von Werkstücken in der
Werkstückhaltevorrichtung unterschiedliche Startgeometrien
ergeben, wie dies beispielsweise bei der Feinbearbeitung von Ventilsitzen
der Fall sein kann.
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Eine
besonders exakte sowie das Rotationswerkzeug und das Werkstück
schonende Variante zeichnet sich dadurch aus, dass das Rotationswerkzeug
während der Anfahrphase mit einer Suchdrehzahl gedreht
wird, die sich von einer zur Erzeugung eines Materialabtrages gewählten
Bearbeitungsdrehzahl unterscheidet. Beispielsweise kann die Suchdrehzahl
niedriger sein als die Bearbeitungsdrehzahl. Während bei spielsweise
beim Honen von Bohrungsinnenflächen die typischen Bearbeitungsdrehzahlen
im Bereich von 300 bis 5000 min–1 liegen
können, kann die während der Aufweitung eines
aufweitbaren Rotationswerkzeuges gewählte Suchdrehzahl niedriger
sein und z. B. im Bereich von 100 bis 500 min–1 liegen.
Es kann jedoch auch mit Suchdrehzahlen gearbeitet werden, die der
Bearbeitungsdrehzahl entsprechen. Bei anderen Prozessen, beispielsweise bei
der Sitzbearbeitung (Sitzhonen) kann die Suchdrehzahl beispielsweise
im Bereich zwischen 100 bis 500 min–1 liegen,
während die Bearbeitungsdrehzahlen wesentlich höher
sind und beispielsweise im Bereich zwischen ca. 1000 und 6000 min–1 liegen.
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Die
Erfindung kann für unterschiedliche Bearbeitungsprozesse
sowie unterschiedliche Typen von Rotationswerkzeugen genutzt werden.
Bei manchen Ausführungsformen ist das Rotationswerkzeug ein
aufweitbares Rotationswerkzeug mit mindestens einem radial zur Rotationsachse
des Rotationswerkzeuges aufweitbaren Werkzeugabschnitt zur Bearbeitung
der Innenfläche einer Bohrung bzw. einer bohrungsähnlichen Öffnung
in einem Werkstück. Hierbei kann die Anfahrphase eine Einführung
des Rotationswerkzeuges in die Bohrung und eine Aufweitung des Werkzeugabschnittes
bis zu einem Berührungskontakt zwischen dem Werkzeugabschnitt und
der Innenfläche der Bohrung umfassen. Bei manchen Verfahrensvarianten
wird das Rotationswerkzeug während der Aufweitung nicht
gedreht. Das Rotationswerkzeug kann während der Aufweitung
auch mit einer Suchdrehzahl gedreht werden, die vorzugsweise geringer
ist als die später zur materialabtragenden Bearbeitung
gewählte Bearbeitungsdrehzahl. Das Anfahren mit einer Suchdrehzahl,
die geringer ist als die spätere Bearbeitungsdrehzahl wird
häufig beim Sitzhonen durchgeführt, bei dem keine
aufweitbaren, sondern lediglich axial zustellbare Rotationswerkzeuge
verwendet werden.
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Bei
bevorzugten Verfahrensvarianten ist das Rotationswerkzeug ein Honwerkzeug
und weist einen Werkzeugabschnitt mit einer Vielzahl von in einer
Bindung gebundenen Schneidkörnern auf. Im Werkzeugabschnitt
können sich eine oder mehrere Honleisten befinden, die
in radialen Öffnungen eines Werkzeugkörpers radial
beweglich sein können, um die radiale Zustellung zu ermöglichen.
Bei anderen Ausführungsformen hat das Honwerkzeug einen rohrförmigen
Werkzeugkörper (Honschaft), der im Bereich des Werkzeugabschnitts
mit Schlitzen versehen ist und an seiner Außenseite einen
Schneidbelag mit einer Vielzahl von Schneidkörnern trägt,
wobei der Werkzeugabschnitt z. B. durch Verschieben einer Zustellstange
gegenüber einem Zustellkörper in radialer Richtung
aufweitbar ist.
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Besonders
bei kleineren Durchmessern, beispielsweise wenn das Rotationswerkzeug
einen maximalen Wirkdurchmesser von weniger als 4 mm hat, bietet
das schallgesteuerte Anfahren eine werkzeugschonende und werkstückschonende
Möglichkeit des exakten und reproduzierbaren automatischen Anfahrens.
Dabei können sowohl Werkzeuge mit gesonderten Honleisten,
als auch solche mit aufweitbaren Rohrabschnitten verwendet werden.
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Bei
anderen Verfahrensvarianten werden Rotationswerkzeuge verwendet,
bei denen die zum Werkstückkontakt führende Zustellung
in axialer Richtung des Rotationswerkzeuges verläuft. Bei manchen
Ausführungsformen ist das Rotationswerkzeug ein Schleifwerkzeug
zum Schleifen eines Ventilsitzes oder einer anderen rotationssymmetrischen Funktionsfläche
und hat einen mit einer Vielzahl von Schneidkörnern besetzten
Werkzeugkopf, der entsprechend der zu bearbeitenden Fläche,
z. B. einer Ventilsitzfläche, gestaltet ist. Der Werkzeugkopf
kann beispielsweise an seinem freien axialen Ende konisch gestaltet
sein, um eine konische Fase am Eintritt einer Bohrung hinsichtlich
Rundheit und Oberflächenstruktur so zu verbessern, dass
sie als Ventilsitzfläche dichtwirksam mit einem beispielsweise
kugelförmigen Schließkörper eines Ventils
zusammenwirken kann. Solche Funktionsflächen können
beispielsweise in Hydraulikventilen oder Pumpengehäusen, beispielsweise
in Einspritzpumpen von Brennkraftmaschinen, vorkommen. Die Verwendung
eines Schleifwerkzeuges bei einer achsgleichen Bearbeitung, bei
der die Zustellbewegung achsparallel zu einer Rotationssymmetrieachse
der zu bearbeitenden Fläche erfolgt und das Rotationswerkzeug
bei der Zustellung praktisch nicht quer zu seiner Rotationsachse
bewegt wird, wird in dieser Anmeldung auch als „Sitzhonen"
bezeichnet. Mit diesem Verfahren können rotationssymmetrische
Flächen unterschiedlicher Gestaltung bearbeitet werden,
beispielsweise Planflächen, konische Flächen,
sphärische Flächen oder auch sphärische
Zonen innerhalb konischer Flächen odgl. Entsprechend können
die Werkzeugköpfe beispielsweise eine konische Gestaltung
oder eine kugelförmige Gestaltung haben.
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Eine
zur Durchführung des Verfahrens geeignete Feinbearbeitungsvorrichtung
zum Bearbeiten von Werkstücken mit Hilfe von Rotationswerkzeugen,
insbesondere mit Hilfe von Rotationswerkzeugen mit einer Vielzahl
von geometrisch unbestimmten Schneiden, hat
eine Antriebseinheit
zur Erzeugung von Bewegungen des Rotationswerkzeuges vor, während
und nach einer Bearbeitungsphase;
eine mit der Antriebseinheit
verbundene Steuereinrichtung zum Steuern von Bewegungen des Rotationswerkzeuges
sowie
mindestens einen mit der Steuereinrichtung verbundenen
Körperschallsensor zur Erzeugung von elektrisch verarbeitbaren
Körperschallsignalen,
wobei die Steuereinrichtung
eine Anfahr-Steuerung enthält, die dafür eingerichtet
ist, Körperschallsignale bei einer Zustellung des Rotationswerkzeuges
in einer Phase ohne Berührungskontakt zwischen Rotationswerkzeug
und Werkstück zu erfassen und auszuwerten und eine vorgebbare Änderung
der Körperschallsignale bei Entstehen eines Berührungskontaktes
zwischen Rotationswerkzeug und Werkstück zu verarbeiten,
insbesondere zur Ermittlung einer Startstellung des Rotationswerkzeuges.
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Vorzugsweise
ist die Auswerteeinrichtung so konfiguriert, dass sie auch während
einer der Anfangsphase folgenden Bearbeitungsphase Sensorsignale
des Körperschallsensors auswertet, und die Steuereinrichtung
ist so konfiguriert, dass eine Bearbeitung des Werkstückes
unter Verwendung der Sensorsignale überwacht und gegebenenfalls
gesteuert werden kann.
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Die
Antriebseinrichtung kann einen Drehantrieb und einen Hubantrieb
zur Steuerung von Arbeitsbewegungen einer zur Ankopplung eines Rotationswerkzeuges
eingerichteten Arbeitsspindel haben, die mit Hilfe der Antriebseinrichtung
parallel zu einer Rotationsachse axial bewegbar sowie um die Rotationsachse
mit vorgebbarer Drehgeschwindigkeit drehbar ist. Die Feinbearbeitungseinrichtung
kann z. B. eine Honeinrichtung sein.
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Die
Erfindung betrifft auch die Verwendung mindestens eines Körperschallsensors
zum Erfassen des Erreichens eines ersten Berührungskontaktes zwischen
einem Rotationswerkzeug und einem Werkstück bei der Zustellung
des Rotationswerkzeuges in Richtung einer zu bearbeitenden Oberfläche des
Werkstückes.
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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 Darstellung einer Honanlage mit eine Flüssigkeits-Körperschallsensor;
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2 zeigt
ein schematisches Weg-Zeit-Diagramm zur Erläuterung von
Werkzeugbewegungen eines Honwerkzeuges für die Bearbeitung
der Innenfläche einer Bohrung;
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3 zeigt
ein Rotationswerkzeug zur Feinbearbeitung von konischen Ventilsitzflächen
in unterschiedlichen Anfahrphasen;
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4 zeigt
ein schematisches Weg-Zeit-Diagramm mit einem Vergleich von Anfahrphasen
bei der Ventilsitzhonbearbeitung, wobei die obere Kurve 4A eine
herkömmliche zweistufige Anfahrphase ohne Körperschallsensor
und die untere Kurve 4B eine Variante einer dreistufigen
Anfahrphase unter Verwendung eines Körperschallsensors
zeigt, und
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5 zeigt
eine Draufsicht auf eine Honanlage mit drei Honeinheiten und Werkstücktransfer.
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In 1 ist
stark schematisch eine Honanlage 100 gezeigt, die zur Feinbearbeitung
von Kleinstbohrungen in Einspritzpumpenbauteilen oder anderen Bauelementen
eingerichtet ist. Die Honanlage hat mehrere parallel oder zeitversetzt
einsetzbare Honeinheiten, z. B drei Honeinheiten gemäß 5, wobei
in 1 nur eine Honeinheit 110 gezeigt ist. An
jede Honeinheit ist eine frei programmierbare Steuerungseinrichtung 150 angeschlossen,
die der Steuerung der Honeinheit dient und für bestimmte Feinbearbeitungsprozesse
eingestellt bzw. programmiert werden kann.
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Die
Honeinheit 110 hat eine Antriebseinrichtung 120 mit
einem Drehantrieb und einem Hubantrieb zur Steuerung der Arbeitsbewegung
einer Arbeitsspindel, an deren unterem Ende eine Werkzeugaufnahme 125 zur
Ankopplung eines Honwerkzeuges angebracht ist. Mit Hilfe der Antriebseinrichtung kann
die Arbeitsspindel parallel zur Rotationsachse 122 axial
hin- und herbewegt sowie um die Rotationsachse 122 mit
vorgebbaren Drehgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen gedreht werden.
Da die Honeinheit normalerweise für die Verwendung mit
aufweitbaren Honwerkzeugen vorgesehen ist, hat sie eine Zustelleinrichtung
zur Steuerung der radialen Aufweitung von Honwerkzeugen. Diese Zustelleinrichtung
umfasst eine parallel zur Rotationsachse 122 axial hin- und
her bewegbare Zustellstange 128, die mit Hilfe eines elektrischen
Antriebs 126 (Aufweitmotor, Antrieb der Aufweitachse) axial
bewegt werden kann.
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An
die Werkstückaufnahme 125 ist ein Honwerkzeug 130 auswechselbar
angekoppelt, das mehrere gleichmäßig um den Umfang
des Honwerkzeuges verteilte Honleisten 132 hat, zwischen
denen Führungsleisten vorgesehen sein können.
Die Radialposition der Honleisten im Bezug auf den Werkzeugkörper
des Honwerkzeuges kann mit Hilfe der steuerbaren Zustelleinrichtung
(auch Aufweitachse genannt) durch Ansteuerung des Aufweitantriebs 126 verstellt
werden. Ein mit der Zustelleinrichtung gekoppelter Kraftsensor 124 dient
dazu, die an der Zustellstange 128 der Zustelleinrichtung
jeweils anliegende Kraft zu erfassen und in elektrischen Signale
umzuwandeln, die der Steuerungseinrichtung 150 zugeführt
werden.
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Die
Honeinheit 110 ist mit Hilfe einer nicht gezeigten Trägerkonstruktion
am Maschinenbett 140 der Honanlage befestigt. Das Maschinenbett
trägt eine z. B als Kardanvorrichtung oder Schwimmvorrichtung
ausgebildete Werkstückhaltevorrichtung 142, in
der ein zu bearbeitendes Werkstück 145 begrenzt
beweglich eingespannt ist. Bei anderen Ausführungsformen
ist das Werkstück starr eingespannt, während das
Honwerkzeug mit der Arbeitsspindel über eine Gelenkstange
gekoppelt ist, so dass auf diese Weise ein Achs- und Winkelversatzausgleich möglich
ist. Das Werkstück 145 enthält eine beispielsweise
durch Feinbohren oder Feindrehen vorbearbeitete Bohrung, deren Innenfläche
mit Hilfe des Honwerkzeuges 130 durch einen Feinbearbeitungsprozess
sowohl hinsichtlich der Makroform (z. B. charakterisiert durch Rundheit,
Zylindrizität, Durchmesser, Welligkeit etc.) als auch hinsichtlich
der Oberflächenbeschaffenheit (z. B. charakterisiert durch
Oberflächenrauheit, Verlauf von sich überkreuzten Überarbeitungsspuren
etc.) in den für die spätere Benutzung erforderlichen
Endzustand gebracht werden soll.
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Die
Steuerungseinrichtung 150 umfasst eine zentrale Recheneinheit 155 und
eine mit dieser signalübertragend verbundene Honsteuerung 156,
die unter anderem über ein Steuermodul 157 die
Antriebe für den axialen Hub und die Drehung der Arbeitsspindel 125 sowie
für die Zustellung des aufweitbaren Honwerkzeuges beinhaltet.
Die zentrale Recheneinheit 155 umfasst auch eine Anzeigeeinheit,
beispielsweise in Form eines Monitors, und eine Bedieneinheit, beispielsweise
mit einer Tastatur und/oder einer Maus. Die Anzeige- und Bedieneinheit
dient als Schnittstelle zum Maschinenbediener, der beispielsweise
mit Hilfe der Tastatur die Steuereinrichtung für einen
bestimmten Honprozess konfigurieren und gegebenenfalls einzelne
Verfahrensschritte auch manuell über die Tastatur steuern
kann.
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Die
Honanlage ist weiterhin mit einer gesonderten Anzeigeeinrichtung 160 ausgestattet,
die beispielsweise durch einen externen Personalcomputer gebildet
werden kann. Im Beispielsfall ist die Anzeigeeinrichtung dafür
konfiguriert, Messsignale eines später näher erläuterten
Körperschallsensors 180 anzuzeigen.
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Die
Honanlage 100 hat einen Kühlschmierstoff-Kreislauf,
mit dem flüssiger Kühlschmierstoff während
der Bearbeitung in den Eingriffsbereich zwischen Honwerkzeug und
Werkstück eingeleitet werden kann, um ei ne Überhitzung
der beanspruchten Bereiche während der Bearbeitung zu vermeiden und
um bei der Zerspanung entstehende Späne abzuführen.
Der Kühlschmierstoff wird mit Hilfe einer Kühlschmierstoffpumpe 170 umgewälzt.
Der Kühlschmierstoffstrom kann durch das Innere des Honwerkzeuges 130 geleitet
werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Kühlung
von der Werkstückseite möglich, wozu entsprechende
Kühlschmierstoffkanäle am Maschinenbett und in
der Werkstückhalteeinrichtung 142 vorgesehen sein
können.
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Eine
Besonderheit der Honanlage besteht darin, dass der Honeinheit ein
Körperschallsensor 180 zugeordnet ist, der bei
Betrieb der Honeinheit entstehende, durch Schwingungen im System
verursachte akustische Emissionen erfasst und in elektrisch verarbeitbare
Signale, die hier auch als „Körperschallsignale"
bezeichnet werden, umwandelt, die zur Steuerung der Honanlage genutzt
werden. Ein akustischer/elektrischer Wandler des Körperschallsensors
ist elektrisch mit einer zur Steuerungseinrichtung 150 gehörenden
Auswerteeinheit 185 verbunden, die eine Schnittstelle zwischen
der Körperschall-Sensorik und der Maschinensteuerung darstellt.
Die Auswerteeinrichtung 185 ist elektrisch mit der zentralen
Recheneinheit 155, der darin integrierten speicherprogramierbaren
Steuerung (SPS), der Anzeigeeinheit 160 und der Honsteuerung 156 verbunden. Über
einen Datenausgang der Auswerteeinrichtung 185 können
Signale beispielsweise über eine Windows-basierte PC-Steuerung
oder über einen externen PC grafisch dargestellt werden. Über die
Rechnereinheit 155 bzw. die speicherprogramierbare Steuerung
der Honmaschine erfolgt unter anderem die Parametrisierung der Auswerteeinrichtung 185 und
der Honsteuerung 156. In der Auswerteeinheit 185 findet
die Signalaufbereitung bzw. Signalauswertung und die Parametrisierung
der vom Körperschallsensor 180 erzeugten Signale
statt.
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Der
Körperschallsensor 180 ist als Flüssigkeits-Körperschallsensor
ausgelegt und koppelt im Betrieb der Honanlage über einen
als Schallwellenleiter dienenden Flüssigkeitsstrahl 181 schallübertragend
an der Arbeitsspindel 125 und/oder am Honwerkzeug 130 und/oder
an der Werkstückhaltevorrichtung an. Hierzu ist der Körperschallsensor 180 über
ein Regelventil 172 mit der Kühlschmierstoffpumpe 170 flüssigkeitsleitend
verbunden. Mit Hilfe des Regelventils 172 kann der zur
Strahlerzeugung erforderliche Flüssigkeitsdruck des Kühlschmierstoffes
eingestellt werden, so dass der Körperschallsensor in einem
geeigneten Abstand, beispielsweise, zwischen minimal 2 bis 5 cm
und maximal 10 bis 20 cm, von den beweglichen Teilen der Honeinheit
entfernt angeordnet werden kann.
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Bei
der gezeigten Konfiguration werden die vom Körperschallsensor 180 übertragenen
Signale mit einem vorher für den Prozess definierbaren
Signalfenster verglichen. Wird eine definierte Signalschwelle überschritten
oder unterschritten, so können die Antriebe 120 der
Honeinheit über die Honsteuerung 156 bzw. die
Steuerung der Antriebe entsprechend geregelt werden. Auf diese Weise
können die in der Honanlage während des Betriebes
entstehenden Schwingungen für die Steuerung des Honprozesses
genutzt werden.
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Als
erstes Anwendungsbeispiel wird nun mit Bezug auf 1 und 2 ein
Honprozess beschrieben, bei dem ein automatischer Anlegevorgang
des aufweitbaren Rotationswerkzeugs 130 an die Innenwand
einer Bohrung mit Hilfe eines Körperschallsensors gesteuert
wird. Die Werkzeugbewegungen eines Honwerkzeuges in axialer Richtung (Einführung
und Hubbewegung während des Honens) sowie in Radialbewegung
(radiale Aufweitung) bei einer Ausführungsform werden anhand
der Weg-Zeit-Diagramme in 2 erläutert. 2A zeigt den Weg sZ der axialen Hubbewegung,
d. h. die Bewegung der Hubachse (z-Achse), und 2B zeigt
den Weg sRAD der radialen Zustellung von
Honleisten oder eines mit Schneidkörnern belegten Werkzeugbschnittes
eines rohrförmigen Werkzeugkörpers in Abhängigkeit
von der Zeit t. Diese Zustellung wird über die Aufweitachse
der Honeinheit mittels Verschiebung der Zustellstange 128 gesteuert.
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Bekanntlich
wird in der Regel nach jedem Werkzeugwechsel die Startposition bzw.
Startstellung des Honprozesses neu ermittelt. Bei der hier beschriebenen
Verfahrensvariante wird die Startstellung mit Hilfe des Körperschallsensors 180 bei
einem automatischen Anlegeprozess automatisch sehr empfindlich ermittelt
und der nachfolgende Bearbeitungsprozess wird dann in Abhängigkeit
von der schalltechnisch ermittelten Startposition gesteuert. Am
Ausgangspunkt des hier beschriebenen Verfahrens befindet sich das
Honwerkzeug zum Zeitpunkt t0 noch außerhalb
der Bohrung, und der wirksame Werkzeugdurchmesser ist auf seinen
Minimalwert eingestellt, der deutlich kleiner ist als der Durchmesser
der vorbearbeiteten Bohrung. Bei dem nun folgenden Honprozess erfolgt
die Ansteuerung des Hubantriebes und des Drehantriebes der Antriebseinrichtung 120 über
die Rechnereinheit 155 bzw. die Honsteuerung 157 der
Honanlage.
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Zunächst
fährt die Hubachse der Honeinheit das Honwerkzeug abwärts
in eine vorher festgelegte axiale Position (Anlegeposition) innerhalb
der Bohrung des Werkstückes, wobei die Anlegeposition beispielsweise
die axiale Bohrungsmitte des Werkstückes ist. In dieser
Phase finden keine radiale Zustellung statt. Ist die axiale Anlegeposition
zum Zeitpunkt t1 erreicht, so wird der Hubantrieb
abgeschaltet und die Hubachse hält diese axiale Position.
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Nun
wird der Drehantrieb für die Rotationsachse mit einer definierten
Suchdrehzahl von beispielsweise 300 min–1 des
5000 min–1 zugeschaltet. Gleichzeitig
oder zeitlich versetzt dazu beginnt der Antrieb 126 für
die Aufweitachse, das Honwerkzeug aufzuweiten, wodurch der radiale Zustellweg
zunimmt. Der Körperschallsensor 180 nimmt während dieser
Aufweitung mit Hilfe des als Schallleiter wirkenden Flüssigkeitsstrahls 181 permanent
Schallsignale vom Schaft des Honwerkzeuges 130 auf und wandelt
diese in elektrische Signale um, die an die Auswerteeinheit 185 weitergeleitet
und von dieser mit einem definierten Schwellwertsignal verglichen werden,
das beispielsweise einem ersten Körperschallsignal ohne
Berührungskontakt zwischen Rotationswerkzeug und Werkstück
entspricht.
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Kommt
das Werkzeug zum Zeitpunkt tK schließlich
in Berührungskontakt mit der Bohrungsinnenwand, verändert
sich das empfangene Körperschallsignal signifikant, so
dass ein zweites Körperschallsignal entsteht, das einem
Berührungskontakt zwischen Rotationswerkzeug und Werkstück
entspricht. Im Allgemeinen stellt sich das Erreichen des Berührungskontaktes
als Erhöhung eines Rauschsignals dar. Die Signalerhöhung
wird von der Auswerteeinrichtung erkannt. Die Auswerteeinrichtung
gibt daraufhin an die Honsteuerung ein Kontaktsignal ab, welches
der Honsteuerung anzeigt, dass der erforderliche Signalwert für
das erstmalige Auftreten von Berührungskontakt erreicht
ist. Daraufhin wird der Antrieb der Aufweitachse (2B)
durch die Honsteuerung gestoppt und die aktuelle Aufweitposition (entsprechend
einem bestimmten radialen Zustellweg ST) wird als Startwert an die
Honsteuerung übertragen. Damit ist die Anlegephase bzw.
Anfahrphase des automatischen Anlegens beendet.
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Nun
schließt sich die Bearbeitungsphase an, die in Abhängigkeit
von der Startstellung gesteuert wird. Zu Beginn der Bearbeitungsphase
fährt die Hubachse der Honanlage das Honwerkzeug zum unteren
Umsteuerpunkt, der zum Zeitpunkt t3 erreicht
ist. Während dieser axialen Zustellung findet keine weitere
radiale Aufweitung statt. Während dieser axialen Bewegung
zum unteren Umsteuerpunkt oder nach Erreichen des Umsteuerpunktes
wird die für den materialabtragenden Teil des Bear beitungsprozesses vorgesehene
Bearbeitungsdrehzahl durch den Drehantrieb eingestellt und der materialabtragende
Teil des Honprozesses beginnt. Die Bearbeitungsdrehzahl entspricht
manchmal der Suchdrehzahl, ist manchmal aber auch größer
als die Suchdrehzahl und kann beispielsweise im Bereich zwischen
300 min–1 und 5000 min–1 liegen.
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Zur
Erzeugung des für den Honprozess vorgesehenen Materialabtrages,
der zu einer Durchmessererweiterung und Verbesserung der Oberflächenstruktur
der Bohrung führt, wird das Honwerkzeug nun an sich bekannter
Weise in zeitlich mit Abstand aufeinanderfolgenden Stufen schrittweise
aufgeweitet, während die axial oszillierende Hubbewegung
mit kontinuierlicher Hubfrequenz durchgeführt wird. Zum
Zeitpunkt tE hat die Aufweitachse ihre Endposition
erreicht, die dem gewünschten Bohrungsdurchmesser entspricht.
Im Beispielsfall schließt sich an das Erreichen der radialen
Endposition eine Ausfeuerungsphase an, in der das Honwerkzeug axial hin
und her bewegt wird, ohne dass eine weitere Radialzustellung erfolgt.
Dieses Ausfeuern kann zur Verbesserung der Oberflächenstruktur
genutzt werden. Zum Zeitpunkt tE1 ist der
Honprozess abgeschlossen, so dass die Aufweitachse den Wirkdurchmesser
des Honwerkzeug reduzieren kann, während gleichzeitig das
Werkzeug nach oben aus der Bohrung herausgefahren wird. Der Ausfeuerungsschritt kann
auch entfallen.
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Der
mit Hilfe des Flüssigkeits-Körperschallsensors 180 ermittelte
Anlegewert ST, d. h. die Aufweitungs-Startstellung des Honwerkzeuges,
dient im Beispielfall über die gesamte Standzeit des Honwerkzeuges,
addiert mit einem Werkzeugkompensationswertes zur Berücksichtigung
von Werkzeugverschleiß, als Startwert für den
Honprozess. Dabei reicht es für die Serienfertigung von
typgleichen Werkstücken in der Regel aus, das automatische
Anlegen ein einziges Mal nach einem Werkzeugwechsel durchzuführen.
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Mit
Hilfe des Körperschallsensors kann das Erreichen der Startposition,
die dem erstmaligen Berührungskontakt zwischen Rotationswerkzeug
und Werkstück beim Aufweiten entspricht, sehr schnell und
empfindlich bestimmt werden, wobei der entsprechende Anlegewert
der radialen Aufweitung unabhängig vom jeweiligen Maschinenbediener
ist. Das automatische Anlegen garantiert daher einen weitgehend
konstanten Anlegewert und reduziert die Rüstzeit beim Werkzeugwechsel.
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Ein
weiterer großer Vorteil bei der Verwendung eines mit Hilfe
eines Fluidstrahles oder auf andere Weise über eine Flüssigkeit
an den Bearbeitungsvorgang angekoppelten Körperschallsensors liegt
darin, dass die schallleitende Ankopplung ohne mechanischen Kontakt
zwischen den Körperschallsensor und den auf Schwingungen
zu überwachenden Teil der Bearbeitungsmaschine oder des
Werkstückes möglich ist (vgl. auch Beschreibung
zu 5).
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Anhand
der 3 und 4 wird ein weiteres Beispiel
eines automatischen Anlageverfahrens zum Anlegen eines Rotationswerkzeuges
mit geometrischen unbestimmten Schneiden an ein zu bearbeitentes
Werkstück am Beispiel der Feinbearbeitung einer konischen
Ventilsitzfläche 312 eines Einspritzpumpenbauteiles 345 beschrieben.
Bei dem Werkstück 345 in 3 wird die
Ventilsitzfläche 312 durch eine konische Fase
am oberen Ende einer Bohrung 313 gebildet, die im Betrieb
der Einspritzpumpe als Fluidkanal dient. Die fertig bearbeitende Ventilfläche 312 arbeitet
im Betrieb der Einspritzpumpe mit einem Ventilschließglied
zusammen, das beispielsweise als Ventilkugel oder Ventilnadel ausgestaltet
sein kann. Häufig werden solche Ventilsitzflächen
abschließend mit Hilfe eines als Schleifwerkzeug ausgestalteten
Rotationswerkzeuges 330 bearbeitet, das am freien Ende
eines Werkzeugschaftes 313 einen mit einer Vielzahl von
z. B. keramisch gebundenen Schneidkörnern besetzten Werkzeugkopf 323 hat,
der entsprechend der Form der Ventilsitzfläche gestaltet
ist. Im Beispielsfall hat der Werkzeugkopf 323 an seiner
dem Schaft abgewandten Stirnseite ein im Wesentlichen konisches
Profil mit einem Konuswinkel, der dem gewünschten Konuswinkel
einer fertig bearbeiteten Ventilsitzfläche entspricht.
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Bei
dem materialabtragenden Prozess wird üblicherweise mit
Bearbeitungsdrehzahlen im Bereich zwischen ca. 1000 min–1 bis
6000 min–1 gearbeitet, wobei das
Rotationswerkzeug in Richtung seiner Rotationsachse 322 möglichst
achsparallel zur Bohrung 310 auf das Werkstück
aufgedrückt und gegebenenfalls intermittierend zur Beseitigung
von Spänen kurzzeitig abgehoben wird. Durch diesen Feinbearbeitungsprozess
wird auf der Ventilsitzfläche ein Oberflächenprofil
mit konzentrischen Bearbeitungsriefen und geringem Rundheitsfehler
erzeugt, wodurch solche Flächen im Zusammenspiel mit dem
beweglichen Ventilschließkörper eine gute Dichteigenschaft
ermöglichen. Der Bearbeitungsprozess wird häufig
als „Sitzhonen" bezeichnet, obwohl nicht die für
das klassische Honen charakteristische Schnittbewegung mit unterschiedlichen
Richtungskomponenten auftritt und dementsprechend auch kein Kreuzschliffmuster
erzeugt wird.
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Das
Verfahren kann mit einer Honanlage gemäß 1 durchgeführt
werden, indem das Rotationswerkzeug 310 am unteren Ende
der Arbeitsspindel mittels der Werkzeugaufnahme 125 eingespannt wird.
Die „Aufweitachse" der Honanlage, die bei radial aufweitbaren
Honwerkzeugen die axial verschiebbare Zustellstange 128 betätigt,
kann in diesem Fall zur axialen Zustellung des mit Schleifkopf versehenen
Rotationswerkzeuges beim Antasten und während der Bearbeitung
verwendet werden. Für die vorhergehende schnellere Zustellung
sowie für das nach Abschluss der Beararbeitung vorgesehene
vollständige Zurückziehen des Rotationswerkzeuges kann
die Hubachse der Honeinheit verwendet werden.
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Bei
derartigen Endbearbeitungsprozessen hat es sich als sinnvoll herausgestellt,
mit variabler axialer Startposition bzw. Startstellung des Rotationswerkzeuges
zu arbeiten, so dass in der Regel gewünscht ist, die Startstellung
des Werkzeuges für die Bearbeitung jedes Werkzeugs neu
zu ermitteln. Beim herkömmlichen Verfahren wird die Kontaktposition zwischen
Werkstück und Rotationswerkzug, d. h. die axiale Startstellung
des Werkzeuges, automatisch kraftgesteuert z. B. mit Hilfe eines
Kraftsensors ermittelt. Der bisher übliche zeitliche Ablauf
wird in 4A erläutert, die
ein Weg-Zeit-Diagramm der axialen Zustellung über den Zustellweg
sZ in Abhängigkeit von der Zeit
t zeigt. Herkömmlich fährt das Werkzeug über
die Aufweitachse (axiale Zustellung) im Eilgang, d. h. mit relativ
hoher axialer Zustellgeschwindigkeit v1 auf
einen für eine Serie von Werkstücken vorher einmalig
manuell ermittelten Festwert sS, der einen ausreichenden
Sicherheitsabstand zum Werkstück gewährleistet.
Diese Position des Werkzeugkopfes ist in 3 durch
gestrichelte Linien angedeutet. Ist dieser axiale Festwert zum Zeitpunkt
t1 erreicht, dann beginnt eine Suchfahrt
mit weiterer axialer Zustellung wobei jedoch für die Suchfahrt
eine wesentlich geringere axiale Zustellgeschwindigkeit v2 << v1 eingestellt wird,
um eine nicht kontrollierbare Kollision mit dem Werkstück
und damit eventuell einhergehende Beschädigungen des Werkzeugs
und/oder des Werkstückes zu vermeiden. Die Rotationsachse
wird mit einer definierten Suchdrehzahl von beispielsweise 100 bis
500 min–1 dazu geschaltet.
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Diese
axiale Zustellung endet nicht mit einem erstmaligen Berührungskontakt
zwischen Werkzeug und Werkstück. Vielmehr ist es so, dass
nach Erreichen eines erstmaligen Berührungskontaktes durch
weiteren axialen Vorschub ein definierter Kraftwert überschritten
werden sollte, bevor die eigentliche materialabtragende Bearbeitung
beginnen kann. Das Erreichen eines definierten Kraftwertes wird
als vorteilhaft angesehen, um die Abtragsleistung des Sitzhonprozesses
ausreichend konstant zu halten. Hierbei ist zu berücksichtigen,
dass die Vorbearbei tungsqualität der Werkstücke
hinsichtlich Rundheitsfehler, Oberflächenrauhigkeit und
anderer Kenngrößen stark variieren kann, wodurch
auch die axiale Lage des Erstkontaktes zum Werkstück stark
variieren kann. Würde die Bearbeitung mit den für
die Bearbeitung vorgesehenen Werten für axiale Zustellgeschwindigkeit
und Drehzahl unmittelbar nach Erkennen eines Erstkontaktes beginnen,
so wäre es möglich, dass in der Anfangsphase dieses
Bearbeitungsprozesses Material nur an einem Teil des Werkstückes
abgetragen wird. Wird dagegen die Bearbeitung erst nach Erreichen
eines definierten Kraftwertes gestartet, so kann in hinreichendem
Maße sichergestellt werden, dass das Werkzeug zu Beginn
der Bearbeitungsphase mit ausreichendem Anpressdruck am Werkstück
anliegt und damit eine konstante Abtragungsleistung erreicht wird.
Bei den herkömmlichen Verfahren gemäß 4A ist nach der langsamen Suchfahrt die
axiale Position mit ausreichendem Anpressdruck am Werkstück
zum Zeitpunkt tS erreicht. Nun wird die
für den Bearbeitungsvorgang vorgesehene Bearbeitungsdrehzahl
eingestellt und der Bearbeitungsprozess beginnt etwa zum Zeitpunkt
tS.
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Eine
deutliche Beschleunigung des Anfahrens und eine damit verbundene
Reduzierung der Taktzeiten kann erreicht werden, wenn das Antasten mit
Hilfe eines Körperschallsensors gesteuert wird. Eine Variante
eines entsprechenden Verfahrensablaufes wird anhand von 4B erläutert.
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Ausgehend
von der Grundstellung mit weit zurückgezogenem Werkzeug
zum Zeitpunkt wird zunächst das Werkzeug im Eilgang wie
bisher mit Axialgeschwindigkeit v1 bis zum
erwähnten Sicherheitsabstand beim Festwert sS axial
zugestellt.
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Im
Unterschied zum herkömmlichen Verfahren (4A)
kann jedoch bei Verwendung eines Körperschallsensors zum
Ermitteln des ersten Kontaktes zwischen Werkzeug und Werkstück
nach Erreichen des Festwer tes mit einer nur geringfügig
reduzierten axialen Zustellgeschwindigkeit weiter zugestellt werden,
wobei auch hier zum Zeitpunkt t1 durch Einschalten
des Drehantriebes eine Werkzeugdrehung mit Suchdrehzahl hinzugeschaltet
wird. Die Suchfahrt mit reduzierter Eilgeschwindigkeit v2' > v2 endet zum Zeitpunkt tK dann,
wenn der Körperschallsensor sehr sensibel und extrem schnell
den ersten Werkstückkontakt des Rotationswerkzeuges anzeigt.
Mit einer sehr schnellen Reaktionszeit wird nun über die Auswerteeinrichtung
die Steuerung der Antriebe für die Axialzustellung und
die Rotation des Werkstückes von der reduzierten Eilgeschwindigkeit
v2' auf eine erheblich reduzierte Suchgeschwindigkeit
V3 umgeschaltet, die geringer sein kann
als die im Stand der Technik genutzte Suchgeschwindigkeit zum Anfahren
des Werkstückes, d. h. V3 < v2.
Nach Erreichen des ersten Werkstückkontaktes steigt der
Anpressdruck des Rotationswerkzeuges am Werkstück bei weiterer
axialer Zustellung langsam an, wobei der Kraftanstieg mit Hilfe
des Kraftsensors (oder über die Ermittlung der Leistungsaufnahme
des Drehantriebes oder dergleichen) überwacht wird. Ist
zum Zeitpunkt tS' der für den Bearbeitungsprozess
als Startwert gewünschte definierte Kraftwert erreicht,
so schaltet die Honsteuerung auf die Bearbeitungsdrehzahl und den
für die Bearbeitung vorgesehenen Axialvorschub um und der
Materialabtrag kann beginnen.
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Der
Vergleich der Kurven in 4A und 4B zeigt klar, dass durch die Erstkontakterkennung über den
Körperschallsensor eine erhebliche Taktreduzierung (tS – tS')
erreichbar ist, da sich die Zeit für die Suchfahrt durch
Verwendung einer zweiten, nur geringfügig reduzierten Eilgeschwindigkeit
reduziert. Weiterhin können auch unterschiedliche Werkstückhöhen
kompensiert werden und es ist in jedem Fall ein sanftes, das Werkzeug
und das Werkstück schonendes Anfahren an das Werkstück
realisierbar.
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Auch
bei Honprozessen kann zur Anschnitterkennung ein Körperschallsensor
genutzt werden. Bei von Werkstück zu Werkstück
stark schwankenden Eingangsdurchmessern, d. h. Bohrungsdurchmessern
vor dem Honen, kann über die elektroakustische Anschnitterkennung
der geleistete Materialabtrag konstant gehalten und eine Reduzierung
der Taktzeit erreicht werden, indem das sogenannte „Lufthonen",
d. h. das Honen ohne substantiellen Berührungskontakt,
reduziert bzw. vermieden wird.
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Oben
wurde bereits beschrieben, dass beim Honen normalerweise nach einem
Werkzeugwechsel ein neuer Startwert ermittelt wird, der addiert
mit einer eingestellten Werkzeugkompensation den Startwert für
jede weitere Honbearbeitung einer Werkstückserie bildet.
Der Werkzeugkompensationswert ist ein Wert, der es erlaubt, den
Werkzeugverschleiß über die Standzeit des Werkzeuges
zu kompensieren. Bekanntlich kann für den Honprozess bezüglich
des Durchmessers zwischen zwei Varianten gewählt werden,
nämlich einem Honprozess mit definiertem Abtrag oder einem
Honprozess auf einen definierten Durchmesser. Variieren die Bohrungsdurchmesser
der zu honenden Bohrungen stark, kann dies je nach eingestelltem
Honprozess zu Schwankungen der Qualität bezüglich
der Maß- und Formtoleranzen und/oder zu Taktzeiterhöhungen führen.
Als ursächlich wird hierfür angesehen, dass ein
Honwerkzeug bei einer zu engen Bohrung sofort hart anliegt und somit
eine höhere Materialabtragsleistung erzeugt. Ist der Bohrungsdurchmesser
dagegen größer, liegt das Werkzeug zunächst
nur partiell an der Bohrungsinnenfläche an, und der Honprozess startet
weitgehend ohne Bohrungskontakt und damit zunächst im Wesentlichen
ohne Materialabtrag (Lufthonen).
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Durch
Verwendung eines Körperschallsensors, beispielsweise eines
Flüssigkeits-Körperschallsensors, bei der Anfahrsteuerung
des Honprozesses können diese Probleme vermieden werden.
Der Startwert und die Verschleißkompensation können wie
oben beschrieben realisiert werden. Mit Hilfe des Körperschallsensors
kann der Kontaktzeitpunkt schnell und sicher erkannt werden. Damit
kann ein eventueller Durchmesserunterschied zwischen unterschiedlichen
Werkstückbohrungen kompensiert werden. Wie im Zusammenhang
mit dem Anfahren eines Ventilsitzes beschrieben, kann das Werkzeug zunächst
im Eilgang mit Hilfe der radialen Zustellung aufgeweitet werden,
bis ein Erstkontakt zwischen der abrasiven Außenseite des
Honwerkzeuges und der Bohrungswand mit Hilfe des Körperschallsensors
erfasst wird. Vom Erstkontakt ausgehend kann der Honprozess mit
den für die Bearbeitung vorgesehenen Parametern gestartet
werden.
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Bei
der beschriebenen Ausführungsform findet auch eine Prozessüberwachung
des Honprozesses bzw. des Sitzhonprozesses mit Hilfe des Körperschallsensors
statt. Beispielsweise kann das über den Körperschallsensor
ermittelte und mit Hilfe der Auswerteeinrichtung ausgewählte
Körperschallsignal genutzt werden, um das aktuelle Schneideerhalten
grafisch darzustellen (siehe grafische Darstellung 161 des
Körperschallsignals an Anzeigeeinrichtung 160)
und/oder automatisch oder mit Hilfe eines Bedieners zu überwachen.
Mit Hilfe des Körperschallsignals können Unregelmäßigkeiten
im Prozessverlauf erkannt werden und gegebenenfalls kann durch einen
Bediener oder automatisch durch eine Prozessregelung eingegriffen
werden, um das Schneidverhalten innerhalb eines tolerierbaren Bereiches
zu halten. Hierzu kann beispielsweise eine Hüllkurvenauswertung
des Körperschallsignals vorgenommen werden.
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Diese
Prozessüberwachung mit Hilfe mindestens eines Körperschallsensors
kann auch unabhängig von der Überwachung der Anfahrphase
vorteilhaft sein und eine unabhängige Erfindung darstellen.
Somit umfasst diese Erfindung auch ein Verfahren zur Feinbearbeitung
mindestens eines Werkstückes mit Hilfe eines Rotationswerkzeuges
mit einer Vielzahl von geometrisch unbestimmten Schneiden, bei den
in einer Be arbeitungsphase zur materialabtragenden Bearbeitung des
Werkstückes mindestens zeitweise eine Zustellung des Rotationswerkzeuges in
Richtung des Werkstückes erfolgt, wobei eine Prozessüberwachung
des materialabtragenden Bearbeitungsprozesses mit Hilfe mindestens
eines Köperschallsensors stattfindet. Dabei kann beispielsweise das
mit Hilfe des Körperschallsensors erfasste Schwingungsverhalten,
welches charakteristisch für den aktuellen Schneidvorgang
ist, graphisch dargestellt werden. Es kann auch eine automatische
Auswertung des Körperschallsignals, beispielsweise eine
Hüllkurvenauswertung, vorgenommen werden, um einen oder
mehrere das aktuelle Schneideerhalten charakterisierende Schneidparameter
zu ermitteln, die zur automatischen oder manuellen Steuerung des
Feinbearbeitungsprozesses herangezogen werden können.
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Speziell
bei dem Sitzhonen kann eine solche Prozessüberwachung nützlich
sein, da die Bearbeitungsqualität des Werkstückes
in der Feinbearbeitungsanlage nicht kontrolliert werden kann. Herkömmlich
mussten bearbeitete Werkstücke aus dem Prozess entnommen
und außerhalb des Bearbeitungsprozesses, beispielsweise
in einem Messraum, auf Qualitätsmerkmale wie Rundheitsabweichung, Geradheitsabweichung,
Radiuswerte etc. vermessen werden. Hierzu wurden ggf. statistische
Verfahren eingesetzt, um z. B. CMK-Werte und/oder CPK-Werte von
Werkstückserien zu ermitteln. Bei Verwendung eines oder
mehrerer Körperschallsensoren können dagegen Unregelmäßigkeiten
im Prozessverlauf frühzeitig und zuverlässig erkannt
werden, so dass eine Qualitätskontrolle in die Feinbearbeitungsmaschine
integriert werden kann. Hierdurch kann die Prozesssicherheit erhöht
und die Ausschussrate erniedrigt werden.
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Bei
Verwendung mindestens eines Körperschallsensors, der über
eine Flüssigkeit mit einem oder mehreren zu Schwingungen
angeregten Teilen der Maschine und/oder mit dem Werkstück
gekoppelt ist, ist eine empfindliche Überwachung auch von
bewegten Systemen möglich, da ein mechanischer Kontakt
zwischen Körperschallsensor und dem zu überwachenden
Teil nicht erforderlich ist. Diese Vorteile können insbesondere
auch in Feinbearbeitungsanlagen mit automatischem Werkstücktransport
genutzt werden. 5 zeigt hierzu schematisch in Draufsicht
die Honanlage 100, die mit drei zeitgleich arbeitenden
Honeinheiten 110 ausgestattet ist. Bei dieser Honanlage
werden die Werkstückhaltevorrichtungen 142 mit
den eingespannten Werkstücken in der durch Pfeile angedeuteten
Transportrichtung durch die Honmaschine getaktet. Das mechanische Ankoppeln
eines Körperschallsensors an solche Werkstückhaltevorrichtungen
wäre nur mit großem Aufwand möglich.
Durch die Verwendung von Flüssigkeits-Körperschallsensoren 180 ist
es dagegen möglich, die Werkstückhaltevorrichtungen
von der Sensorik mechanisch komplett zu entkoppeln, indem jeder
relevanten Honeinheit mindestens ein Flüssigkeits-Körperschallsensor
zugeordnet ist, mit dessen Hilfe der automatische Anlegevorgang
und der nachfolgende Bearbeitungsprozess überwacht und
gesteuert werden können. Diese Vorteile können
sowohl bei Honmaschinen mit Längstransfer (wie in 5 gezeigt)
als auch bei Honmaschinen mit Rundtischtransfer genutzt werden.
Durch die Verwendung eines über eine Flüssigkeit
angekoppelten Körperschallsensors kann insbesondere auch
die direkte Überwachung über die Werkstückhaltevorrichtung
einer Feinbearbeitungsanlage vereinfacht werden. Bei den meisten
Honprozessen werden die zu bearbeitenden Werkstücke begrenzt
beweglich gelagert, um eine Selbstzentrierung des Honwerkzeuges
im Werkstück ohne Zwangskräfte zu ermöglichen.
Hierzu sind beispielsweise schwimmende Lagerungen oder kardanisch
ausgeführte Werkstückhaltevorrichtungen vorgesehene.
Hier können Flüssigkeitskörperschallsensoren
mit besonderem Vorteil eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4441623
C2 [0005]
- - EP 1536917 B1 [0005]
- - DE 3627796 C1 [0010, 0014]