DE102009007439A1 - Verfahren zum Steuern einer Werkzeugmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Werkzeugmaschine zum spanenden Bearbeiten einer Oberfläche, insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine. Hierzu wird zunächst ein Versuchswerkstück unter Verwendung eines Teststeuerungsparametersatzes bearbeitet und der Einfluss dieser Bearbeitung auf die Oberfläche des Versuchswerkstückes - also der Materialabtrag - ermittelt. Aus der Korrelation zwischen Teststeuerungsparametersatz und jeweiligem Materialabtrag an verschiedenen Positionen der Oberfläche wird eine erste Übertragungsfunktion bestimmt, welche den Einfluss der Werkzeugmaschinensteuerung auf die Oberfläche darstellt. Durch Ermitteln der Umkehrfunktion dieser ersten Übertragungsfunktion wird eine Funktion erhalten, mittels der ausgehend von der gewünschten Endgeometrie des Werkstückes ein Steuerungsparametersatz für die Werkzeugmaschine erstellt werden kann.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Verfahren ist auch auf eine Kombination von spanenden und beschichtenden Bearbeitungsverfahren anwendbar.
  • 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.
  • Alternativ kann das spanende Behandeln der Oberfläche auch durch Feinspindeln durchgeführt werden.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand einer Ausführungsform näher erläutert werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1321229 A1 [0002]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Steuern einer Werkzeugmaschine zum spanenden Bearbeiten einer Oberfläche, insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine, mit den Schritten: a) Bereitstellen eines Teststeuerungsparametersatzes mit wenigstens einem Steuerungsparameter, b) Bestimmen der Ausgangsgeometrie einer unbearbeiteten Oberfläche eines Versuchswerkstückes, c) Bearbeiten der Oberfläche unter Verwendung des Teststeuerungsparametersatzes, d) Bestimmen der Endgeometrie der Oberfläche nach dem Bearbeiten, e) Bestimmen einer ersten Übertragungsfunktion zwischen dem Teststeuerungsparametersatz und einer Differenz zwischen Ausgangs- und Endgeometrie, f) Bestimmen einer zweiten Übertragungsfunktion zwischen einer vorgegebenen Endgeometrie und des zu deren Erzeugung führenden Steuerungsparametersatzes unter Verwendung der ersten Übertragungsfunktion und g) Bestimmen eines Endsteuerungsparametersatzes für eine vorgegebene Endgeometrie unter Verwendung der zweiten Übertragungsfunktion.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt b1) eine Beschichtung auf die Oberfläche aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das spanende Bearbeiten der Oberfläche durch Formhonen mittels einer Honmaschine durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Steuerungsparametersätze wenigstens einen einer zu bearbeitenden Stelle der Oberfläche zugeordneten, den Anpressdruck auf eine Honleiste der Honmaschine generierenden, Parameter umfassen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das spanende Behandeln der Oberfläche durch Feinspindeln durchgeführt wird.
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