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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Werkzeugmaschine
zum spanenden Bearbeiten einer Oberfläche, insbesondere
einer Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine. Um die Oberflächenqualität
zu verbessern und die Geometrie der Zylinderlaufbahnen zu optimieren,
werden diese in der Regel einer spanenden Bearbeitung durch Honen
oder Feinspindeln unterzogen. Hierdurch ergibt sich zum einen eine
feine Rillenstruktur der Oberfläche, in welcher im Betrieb
der Brennkraftmaschine Öl haften bleibt und so die Schmierung
der in der Zylinderlaufbahn bewegten Kolben verbessert.
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Aus
der
EP 1 321 229 A1 ist
ein Verfahren zum Herstellen einer Bohrung, insbesondere einer Zylinderbohrung
einer Hubkolbenmaschine bekannt, bei welchem im kalten Zustand der
Zylinderbohrung Abweichungen von der zylindrischen Geometrie eingebracht
werden, welche ungleichmäßige Ausdehnungen und
sonstige Formveränderungen im Betriebszustand der Zylinderbohrung
ausgleichen, so dass die Zylinderbohrung im Betrieb die optimale
zylindrische Geometrie aufweist.
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Beim
Honen oder Feinspindeln von Zylinderlaufbahnen besteht nun das Problem,
dass die erwünschte Sollgeometrie der Zylinderlaufbahn
nicht unmittelbar in ein Steuerungsprogramm für die jeweilige
Werkzeugmaschine umgesetzt werden kann. Ein solches Steuerungsprogramm
umfasst in der Regel einzelnen Oberflächenbereichen zugeordnete
Anpressdrücke der Honleisten oder anderer spanender Werkzeuge.
Durch die sehr geringen Toleranzen beim Honen oder Feinspindeln
ist der tatsächlich erzielte Materialabtrag allerdings
nicht ausschließlich vom Anpressdruck des Werkzeuges an
die zu bearbeitende Oberfläche abhängig. Unterschiedliche
lokale Gegebenheiten des Werkstückes – wie beispielsweise
verschiedene Materialspannungsverläufe – können
bei gleichem Anpressdruck des Werkzeuges an verschiedenen Stellen
der zu bearbeitenden Oberfläche zu unterschiedlichem Materialabtrag führen.
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Dieses
Problem wird momentan durch iterative Anpassung des Steuerprogramms
für die Werkzeugmaschine gelöst. Nach der Bearbeitung
eines Werkstückes wird die entstandene Geometrie der Zylinderlaufbahn
vermessen und bei Abweichung von der Sollgeometrie das Steuerungsprogramm
empirisch angepasst. Ein direkter Zusammenhang zwischen Anpressdrücken
des Werkzeuges und dem erzielten Materialabtrag bzw. der erzielten
Endgeometrie wird hierbei jedoch nicht ermittelt. Für jede
neue Endgeometrie und jeden neuen Werkstücktyp muss dieses
iterative Verfahren neu durchgeführt werden. Die Prozesssicherheit
und Reproduzierbarkeit des Verfahrens ist niedrig, was zu unerwünscht
hohen Toleranzen und langen Kalibrierungszeiten der Werkzeugmaschinen
führt.
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Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der
eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine schnelle
und reproduzierbare Erzeugung der gewünschten Endgeometrien
der zu bearbeitenden Oberfläche ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Ein
solches Verfahren zum Steuern einer Werkzeugmaschine zum spanenden
Bearbeiten einer Oberfläche, insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer
Brennkraftmaschine beruht darauf, zunächst eine Übertragungsfunktion
zwischen Steuerungsparametern der Werkzeugmaschine und der daraus
resultierenden Oberflächengeometrie des bearbeiteten Werkstückes
zu ermitteln. Hierzu wird zunächst mindestens ein Teststeuerungsparametersatz
mit wenigstens einem Steuerungsparameter bereitgestellt. Dieser
muss nicht der Erzeugung der letztendlich gewünschten Endgeometrien
eines konkreten Werkstückes dienen, sondern ist dazu ausgelegt,
die genannte Übertragungsfunktion zu ermitteln. Als Steuerungsparameter
kommen hierbei insbesondere Zuordnungen von den den Zustelldruck
an der Schneidleiste generierenden Einstellparametern zu den Positionen
auf der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche in
Frage. Im Falle von zu bearbeitenden Zylinderlaufbahnen liegt es
hierbei nahe, die Koordinaten der zu bearbeitenden Oberfläche
in Zylinderkoordinaten auszudrücken.
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Um
die genannte Übertragungsfunktion zu übermitteln,
wird nun ein Versuchswerkstück (oder mehrere Versuchswerkstücke
gleicher oder verschiedener Art) bereitgestellt und die Ausgangsgeometrie der
unbearbeiteten Oberfläche des Versuchswerkstückes
bestimmt. Anschließend wird die Oberfläche unter
Verwendung des bereitgestellten Teststeuerungsparametersatzes bearbeitet
und die daraus resultierende Endgeometrie der Oberfläche
nach dem Bearbeiten bestimmt.
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Aus
den Differenzen zwischen Ausgangs- und Endgeometrie kann nun eine
erste Übertragungsfunktion zwischen dem Teststeuerungsparametersatz
und der Differenz zwischen Ausgangs- und Endgeometrie bestimmt werden.
In anderen Worten wird ermittelt, welcher den Anpressdruck an der
Schneidleiste generierende Parameter des Werkzeuges an welchen Positionen
der Oberfläche zu welchen Veränderungen der Oberflächengeometrie an
diesen Positionen führen. Daraus kann noch nicht unmittelbar
ein Programm für die Werkzeugmaschine entwickelt werden,
welches geeignet ist, eine gewünschte Endgeometrie zu erzielen.
Um dies zu ermöglichen, wird im folgenden Verfahrensschritt
eine zweite Übertragungsfunktion zwischen einer vorgegebenen
Endgeometrie und des zu deren Erzeugung führenden Steuerungsparametersatzes
unter Verwendung der ersten Übertragungsfunktion ermittelt. Mit
anderen Worten stellt die zweite Übertragungsfunktion eine
Umkehrfunktion der ersten Übertragungsfunktion dar. Mit
der zweiten Übertragungsfunktion steht nun eine Funktion
zur Verfügung, welche es ermöglicht, aus einer
vorgegebenen Endgeometrie – also der Sollgeometrie einer
zu bearbeitenden Zylinderlaufbahn – ein Programm zum Steuern der
Werkzeugmaschine zu berechnen, welches aus einer gegebenen Anfangsgeometrie
des zu bearbeitenden Werkstückes eben die gewünschte
Sollgeometrie erzeugt. Im letzten Verfahrensschritt wird genau dieses
Programm erzeugt, nämlich indem ein Endsteuerungsparametersatz
für eine vorgegebene Endgeometrie unter Verwendung der
zweiten Übertragungsfunktion bestimmt wird. Die vorgegebene Endgeometrie
ist dabei die Sollgeometrie der zu bearbeitenden Zylinderlaufbahn
im tatsächlichen Werkstück, welches vom Versuchswerkstück
verschieden sein kann.
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Da
das Übertragungsverhalten – also der Zusammenhang
zwischen Anpressdruck des Werkstückes und Abtrag der Oberfläche – unabhängig
von der letztendlich gewünschten Sollgeometrie der Oberfläche
ist, muss die zweite Übertragungsfunktion nur einmal für
das verwendete Werkzeug bestimmt werden. Verschiedene Sollgeometrien
können unter Verwendung der gleichen zweiten Übertragungsfunktion
mittels der Werkzeugmaschine erstellt werden. Die zweite Übertragungsfunktion
umfasst dabei Einflüsse von Steifigkeit von Werkstück
und Maschine, Einflüsse der Werkstückverspannung
und Ähnliches auf das Bearbeitungsergebnis. Soll die Sollgeometrie
des zu bearbeitenden Werkstückes später geändert
werden, ist kein neues iteratives Anpassen des Programmes notwendig,
so dass die Prozesssicherheit des Verfahrens wesentlich verbessert wird.
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Das
Verfahren ist auch auf eine Kombination von spanenden und beschichtenden
Bearbeitungsverfahren anwendbar.
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Das
spanende Bearbeiten der Oberfläche geschieht in einer bevorzugten
Ausführungsform des Verfahrens durch Formhonen mittels
einer Honmaschine. Die jeweiligen Steuerungsparametersätze umfassen
hierbei wenigstens einen einer zu bearbeitenden Stelle der Oberfläche
zugeordneten, den Anpressdruck an einer Honleiste generierenden,
Parameter der Honmaschine.
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Alternativ
kann das spanende Behandeln der Oberfläche auch durch Feinspindeln
durchgeführt werden.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand einer Ausführungsform
näher erläutert werden.
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Beim
Formhonen von Zylinderlaufbahnen für Brennkraftmaschinen
mittels Honmaschinen wird zunehmend dazu übergegangen,
komplexe Geometrien der Zylinderlaufbahn in ihrem kalten Zustand
zu erzeugen. Bei Erwärmung der Brennkraftmaschine auf ihre
Betriebstemperaturen kompensieren diese komplexen Geometrien unterschiedliche
Ausdehnungen der Zylinderlaufbahn, so dass diese im Betriebszustand
der Brennkraftmaschine die optimale, in der Regel zylindrische Geometrie
aufweisen.
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Zur
Steuerung von Honmaschinen steht als einziger Steuerungsparameter
der Anpressdruck der Honleiste an die jeweilige Position der Oberfläche
zur Verfügung. Die Position wird dabei durch Hub und radiale
Position der Honleiste ausgedrückt. Da aufgrund von Spannungen
im Werkstück und dergleichen in der Regel kein direkter
Zusammenhang zwischen dem Anpressdruck der Honleisten und dem erzielten
Materialabtrag besteht, ist es nicht trivial, ein Steuerungsprogramm
für eine Honmaschine zu entwickeln, welche die gewünschte
komplexe Endgeometrie der Zylinderlaufbahn erzeugt. Im Stand der Technik
ist es üblich, dieses Problem durch eine iterative Anpassung
des Steuerungsprogrammes für die Honmaschine zu lösen.
Für jedes bearbeitete Werkstück wird nach der
Bearbeitung die Geometrie der Zylinderlaufbahn vermessen und bei
Abweichungen von der Sollgeometrie entsprechende Änderungen,
welche wiederum nicht analytisch bestimmbar sind, sondern vielmehr
empirisch gewählt werden, in das Steuerungsprogramm der
Honmaschine eingebracht. Dieser Iterationsschritt wird so lange
wiederholt, bis die Abweichung von der Sollgeometrie innerhalb der
gewünschten Toleranz liegt.
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Die
Erfindung sieht im Gegensatz dazu vor, einen direkten Zusammenhang
zwischen dem Steuerungsprogramm der Werkzeugmaschine und dem erzielten
Materialabtrag – mithin der erzielten Endgeometrie – zu
ermitteln. Hierzu werden zunächst ein oder mehrere Versuchswerkstücke
mit einem experimentellen Steuerungsprogramm bearbeitet. Bei dem mindestens
einen Versuchswerkstück muss es sich nicht zwingend um
ein Werkstück handeln, welches mit dem letztendlich zu
bearbeitenden Werkstück identisch ist. Da jedoch Werkstücksparameter,
wie beispielsweise Materialspannungen, ebenfalls einen Einfluss
auf den erzielten Materialabtrag haben, empfiehlt es sich, Versuchswerkstücke
zu verwenden, welche den endgültigen zu bearbeitenden Werkstücken
entsprechen.
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Mittels
eines versuchsweisen Steuerungsprogrammes wird nun dieses Werkstück
bearbeitet. Aus der Differenz zwischen der Ausgangsgeometrie der
bearbeiteten Oberfläche und der durch die Bearbeitung erzielten
Endgeometrie kann nun für jeden interessierenden Punkt
der Oberfläche der exakte erzielte Materialabtrag ermittelt
werden. Da für jeden Oberflächenpunkt aus dem
eingesetzten Steuerungsprogramm für die Honmaschine auch
der jeweilige den Anpressdruck an der Honleiste generierende Parameter
bekannt ist, ist nunmehr eine Korrelation zwischen Anpressdruck
der Honleiste und erzieltem Materialabtrag für das Versuchswerkstück
bekannt. Um nun zu ermöglichen, ausgehend von einer vorgegebenen,
zu erzeugenden Endgeometrie der Werkstücksoberfläche
ein Steuerungsprogramm für die Honmaschine zu entwickeln,
muss nun eine Umkehrfunktion dieser Korrelation gebildet werden.
Diese Umkehrfunktion ordnet also einen jeweils an einer bestimmten
Stelle der Oberfläche zu erzielenden Materialabtrag den
notwendigen Anpressdruck der Honleisten der Honmaschine zu. Je nach
Komplexität der zu bearbeitenden Oberfläche ist
es möglich, diese Umkehrfunktion direkt analytisch aus
dem bekannten Zusammenhang zwischen Anpressdruck und Materialabtrag
zu ermitteln, oder aber eine numerische Näherung für
die Funktion zu bestimmen, welche immer noch ermöglicht,
ein Steuerungsprogramm für die Honmaschine zu entwickeln,
welches ausgehend von einer vorgegebenen Endgeometrie eine Zuordnung
von Positionen und Honleistenandrücken zur Verfügung
stellt.
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Ist
dieses Verfahren so weit durchlaufen, kann die Werkzeugmaschine
allein ausgehend von der gewünschten Endgeometrie der letztendlichen Serie
zu bearbeitenden Werkstücke mit einer Tabelle von Oberflächenpositionen
und Andrücken der Honleisten an diesen Positionen programmiert
werden, um toleranzarm und prozesssicher die gewünschten Werkstücke
zu fertigen.
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Es
ist weiterhin möglich, das Verfahren auch bei zu beschichtenden
Oberflächen anzuwenden. Dies ist insbesondere bei Zylinderlaufbahnen
von Bedeutung, da diese zur Reduktion von Verschleiß und
zur Verbesserung der Laufeigenschaften der Kolben zunehmend durch
Lichtbogendrahtspritzen beschichtet werden. Um zu dieser Anpassung
des Verfahrens zu gelangen, ist es nötig, die beschichtete Oberfläche
des bzw. der Versuchswerkstücke mit einem Teststeuerungsparametersatz
zu bearbeiten und analog die erste und zweite Übertragungsfunktion
zu bestimmen. Es wird also nicht mehr die Differenz zwischen Ausgangsgeometrie
der Oberfläche und Endgeometrie nach dem Honen bestimmt,
sondern vielmehr die Differenz zwischen Ausgangsgeometrie und Endgeometrie
nach dem Honen und dem Lichtbogendrahtspritzen. Ausgehend von dieser
Differenz kann wiederum einfach eine Korrelation zwischen Anpressdrücken
der Honleisten und Materialabtrag ermittelt werden. Gegebenenfalls
können auch die Parameter des Lichtbogendrahtspritzens – wie
beispielsweise Drahtvorschub und Trägergasgeschwindigkeit – in
das Verfahren integriert werden, um eine gleichzeitige Optimierung
der Honmaschinensteuerung und der Beschichtungssteuerung zu ermöglichen.
Ausgehend von dieser Korrelation wird wiederum die Umkehrfunktion
bestimmt, so dass ausgehend von einer gegebenen Sollgeometrie problemlos
ein Steuerungsprogramm für die Honmaschine und gegebenenfalls
die Lichtbogendrahtspritzanlage erstellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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