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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Feinbearbeiten von Bohrungen in Werkstücken.
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Zur Herstellung von Führungsbohrungen und Dichtsitzen mit hoher Lagegenauigkeit in Werkstücken bzw. Bauteilen, wie sie beispielsweise als Ventile in der Kraftfahrzeugeinspritztechnik oder der Hydraulik verwendet werden, werden diese in der Regel einem zweistufigen, mechanischen Bearbeitungsprozess unterzogen. Hierbei kommen zwei unabhängige Werkzeuge zum Einsatz. Daraus resultieren relativ lange Prozesszeiten, u. a. verursacht durch den notwendigen Werkzeugwechsel, der ggf. zusätzliche Fehler hinsichtlich der Positionierung bzw. Ausrichtung der Werkzeuge bei deren Wechsel verursacht.
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Daher ist es aus der
DE 10 2006 024 677 A1 bekannt, bei einer als Honwerkzeug ausgebildeten Werkzeugmaschine die Werkzeugaufnahme dreh- und linear bewegbar auszubilden und das Honwerkzeug an einem Träger einer Werkzeugmaschine austauschbar zu befestigen.
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Darüber hinaus sind elektrochemische Materialabtragverfahren (sogenannte ECM-Verfahren) sowie ECDM-Verfahren, welche eine Kombination aus dem ECM-Verfahren und einem Funkenerosionsverfahren (ein sogenanntes EDM-Verfahren) darstellen, bekannt. Sowohl das ECM-Verfahren als auch das ECDM-Verfahren wird hierbei insbesondere dort eingesetzt, wo relativ genaue Geometrien erzeugt werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zum Feinbearbeiten von Bohrungen in Werkstücken derart weiterzubilden, dass die Prozesszeiten zur Bearbeitung der Umfangs- bzw. Führungsfläche und der Stirnfläche der Bohrung insgesamt gesehen verkürzt wird und, dass insbesondere auch kein mit etwaigen Positionierfehlern behafteter Werkzeugwechsel stattfinden muß. Diese Aufgabe wird bei einem Werkzeug zum Feinbearbeiten von Bohrungen in Werkstücken mit den Merkmalen den Anspruchs 1 gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, die Bearbeitungseinrichtungen zum Bearbeiten der Umfangs- bzw. Führungsfläche und der Stirnfläche der Bohrung an einem gemeinsamen Werkzeugträger anzuordnen, wobei die Bearbeitungseinrichtung zum Feinbearbeiten der Stirnfläche als elektrochemische Bearbeitungseinrichtung (ECM) ausgebildet ist. Dadurch ist es prinzipiell möglich, beide Bearbeitungen, d. h. sowohl die Bearbeitung der Stirnfläche, als auch die Bearbeitung der Umfangs- bzw. Führungsfläche gleichzeitig und somit insgesamt gesehen besonders zeitsparend auszuführen. Doch selbst bei einem Einsatz des Werkzeuges, bei dem die beiden zu bearbeitenden Flächen zeitlich gesehen nacheinander bearbeitet werden, hat die erfindungsgemäße Ausbildung des Werkzeuges den Vorteil, dass zwischen den beiden Bearbeitungsschritten kein Werkzeugwechsel stattfinden muss, so dass auch in diesem Fall eine relativ zeitsparende Bearbeitung ermöglicht wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Werkzeugs zum Feinbearbeiten von Bohrungen in Werkstücken sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Bearbeitungseinrichtung zum Feinbearbeiten der Führungsfläche als Honeinrichtung ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung ermöglicht bei der gewünschten bzw. erforderlichen Oberflächengüte eine relativ hohe Abtragsleistung.
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Zusätzlich hierzu kann es vorgesehen sein, dass die Bearbeitungseinrichtung zum Feinbearbeiten der Führungsfläche eine elektrochemische Bearbeitungseinrichtung (ECM) umfasst. Dabei wird durch die Honeinrichtung ein relativ hoher Materialabtrag erzielt, während durch die Ausbildung der Bearbeitungseinrichtung als ECM-Bearbeitungseinrichtung sich eine sehr genaue Oberflächenbeschaffenheit erzielen lässt.
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Um bei einer Kombination von Hon- und ECM-Bearbeitungseinrichtung für die Führungsfläche einen relativ einfachen Aufbau des Werkzeuges zu erzielen, ist es dabei bevorzugt vorgesehen, dass die Honeinrichtung als auf der Umfangsfläche des Werkzeugträgers angeordneter, abrasiver Honbelag ausgebildet ist.
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Dies ermöglicht in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung die Ausbildung des Honbelages als Bestandteil der elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung. Der Honbelag erfüllt somit eine Doppelfunktion. Anstelle eines Honbelages ist es jedoch auch denkbar, dass die Honeinrichtung wenigstens eine in Längsrichtung des Werkzeugträgers angeordnete, radial verstellbare Honleiste aufweist.
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Um hierbei einen relativ einfachen Aufbau des Werkzeugträgers für die elektrochemische Bearbeitungseinrichtung zu erzielen, ist es darüber hinaus in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass am Umfang des Werkzeugträgers zusätzlich eine in Längsrichtung des Werkzeugträgers angeordnete Elektrode als Bestandteil der elektrochemischen Bearbeitungseinrichtung angeordnet ist.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges zum Feinbearbeiten von Ventilbohrungen. Dabei werden im großtechnischen Einsatz insbesondere Vorteile bezüglich der Genauigkeit sowie des Bearbeitungsaufwandes, insbesondere der Bearbeitungszeit erzielt, so dass die Herstellkosten derartiger, Ventilbohrungen aufweisender Bauteile relativ gering sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen Längsschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Werkzeug zum Feinbearbeiten von Bohrungen in Werkstücken,
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2 und 3 jeweils einen Längsschnitt bei gegenüber der 1 modifizierten Werkzeugen,
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4 und 5 Querschnitte durch ein Werkzeug zum Feinbearbeiten von Bohrungen in verschiedenen, abgewandelten Varianten,
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6 ein weiteres abgewandeltes Werkzeug zusammen mit einem zu bearbeitenden Werkstück im Längsschnitt,
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7 bis 9 Schaltungsanordnungen des Werkzeugs gemäß 6 zur Verdeutlichung der verschiedenen Betriebsarten und
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10 eine Darstellung des Spannungsverlaufes während der Bearbeitung bei unterschiedlichen Bearbeitungsmethoden.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Zeichnungen mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein erstes erfindungsgemäßes Werkzeug 10 zum Feinbearbeiten von Werkstücken 1 dargestellt. Ein derartiges, lediglich in der 6 dargestelltes Werkstück 1 besteht aus Metall und weist einen ersten Bohrungsabschnitt 2 auf, dessen Wand 3 konzentrisch zur Längsachse 5 des Werkstücks 1 angeordnet ist. Am Grund des ersten Bohrungsabschnitts 2 ist beispielhaft ein zweiter Bohrungsabschnitt 4 eingezeichnet, dessen Durchmesser geringer ist als der Durchmesser des ersten Bohrungsabschnitts 2. Der Übergang zwischen den beiden Bohrungsabschnitten 2 und 4 am Grund des ersten Bohrungsabschnitts 2 wird durch eine im Längsschnitt kegelförmige Sitzfläche 7 gebildet. Sowohl die als Führungsfläche wirkende Wand 3 des ersten Bohrungsabschnitts 2, als auch die Sitzfläche 7 sind mittels des Werkzeugs 10 bearbeitbar, derart, dass entweder eine bestimmte Soll-Geometrie erzielt wird, oder, dass die Oberfläche der Wand 3 bzw. der Sitzfläche 7 eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit bzw. Oberflächenrauhigkeit aufweist. Insbesondere handelt es sich bei dem Werkstück 1 um ein in der Kraftfahrzeugtechnik oder Hydraulik verwendetes Bau- bzw. Einzelteil eines Ventils, wobei der erste Bohrungsabschnitt 2 als Führungsfläche für ein in den Zeichnungen nicht dargestelltes Ventilglied dient und, wobei die Sitzfläche 7 zur Auflage des Ventilgliedes in seiner Schließstellung dient, um den zweiten Bohrungsabschnitt 4 zu verschließen bzw. abzudichten.
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Das in der 1 dargestellte Werkzeug 10 ist als sogenanntes Hybrid-Werkzeug ausgebildet, d. h., dass es dazu geeignet ist, sowohl die Wand 3 des ersten Bohrungsabschnitts 2, als auch die Sitzfläche 7 der Werkstücks 1 entweder zeitlich gesehen nacheinander oder überschneidend, oder aber auch gleichzeitig zu bearbeiten. Hierzu weist das Werkzeug 10 einen Werkzeugträger 11 auf, der in dem in der 1 dargestellten Ausschnitt hohlzylindrisch ausgebildet ist. Am unteren, dem Werkstück 1 zugewandten Ende des Werkzeugs 10 weist das Werkzeug 10 über eine bestimmte Länge des Werkzeugträgers 11 verlaufende, in Längsrichtung des Werkzeugträgers 11 ausgebildete Ausnehmungen zur Aufnahme von radial verstellbaren Honleisten 13, 14 auf. In dem in der 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Werkzeug 10 hierbei zwei, um 180° zueinander versetzt angeordnete Honleisten 13, 14 auf.
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Selbstverständlich ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, lediglich eine einzige Honleiste 13, 14, oder aber mehr als zwei Honleisten 13, 14 vorzusehen, die dann vorzugsweise ebenfalls in gleichmäßigen Winkelabständen zueinander angeordnet sind.
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Die Honleisten 13, 14 weisen an ihrer radial innenliegenden Seite eine schräg ausgebildete Keilfläche 15, 16 auf. Die Keilflächen 15, 16 wirken mit einem stiftförmigen Aufweitkegel 18 zusammen, der bei einer Bewegung in Richtung des Pfeils 19 die beiden Honleisten 13, 14 radial nach außen drückt, so dass der Außendurchmesser des Werkzeuges 10 im Bereich der beiden Honleisten 13, 14 vergrößert ist.
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Zusätzlich zu der in Richtung des Pfeils 19 (bzw. umgekehrt) stattfindenden Linearbewegung der Honleisten 13, 14 ist es in an sich bekannter Art und Weise möglich, den Werkzeugträger 11 in Richtung des Doppelpfeils 21 in Richtung seiner Längsachse 22 axial zu bewegen sowie zusätzlich bzw. unabhängig davon um dessen Längsachse 22 entsprechend des Pfeils 23 zu drehen.
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Wesentlich ist, dass an der der Sitzfläche 7 des Werkstücks 1 zugewandten Stirnseite des Werkzeugträgers 11 eine (zusätzliche) Bearbeitungseinrichtung 25 für die Sitzfläche 7 angeordnet ist. Hierbei ist die Bearbeitungseinrichtung 25 als eine sogenannte ECM-Einrichtung ausgebildet, die aufgrund elektrochemischer Vorgänge Material aus der Sitzfläche 7 (Metallionen) herauslöst und über ein Trägermedium, dem sogenannten Elektrolyt, abführt. Hierbei ist, wie ebenfalls an sich bekannt, das Werkstück 1 mit einer Spannungsquelle als Anode geschaltet, während die mit einer bzw. mehreren Elektroden 26 bestückte Stirnseite des Werkzeugträgers 11 als Kathode geschaltet ist. Wesentlich ist noch, dass die im Ausführungsbeispiel eine Elektrode 26 der Bearbeitungseinrichtung 25 von dem Werkzeugträger 11 elektrisch isoliert ist.
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Da das ECM-Verfahren ein sogenanntes abbildendes Verfahren ist, bei dem die Form der Elektrode 26 an der zu bearbeitenden Sitzfläche 7 abbildet wird, ist die Elektrode 26 im Ausführungsbeispiel als ringförmige, flache Elektrode 26 an der kegelförmigen Stirnfläche des Werkzeugträgers 11 angeordnet.
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Zur Bearbeitung der Wand 3 des ersten Bohrungsabschnitts 2 und der Sitzfläche 7 wird der Werkzeugträger 11 in den ersten Bohrungsabschnitt 2 des Werkstücks 1 hineingefahren und dabei gedreht, so dass je nach Stellung der Honleisten 13, 14 der erste Bohrungsabschnitt 2 bzw. dessen Wand 3 in gewünschter Art und Weise bearbeitet wird. Gleichzeitig oder anschließend ist auch die Elektrode 26 in Wirkverbindung, das heißt in geringem Abstand zur der Sitzfläche 7 des Werkstücks 1 angeordnet, um auch die Sitzfläche 7 in gewünschter Art und Weise durch elektrochemischen Materialabtrag.
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Während der elektrochemischen Materialbearbeitung der Sitzfläche 7 ist selbstverständlich zumindest der Bereich der Elektrode 26 bzw. der Axialspalt zwischen der Elektrode 26 und der Sitzfläche 7 von (nicht dargestelltem) Elektrolyt umspült.
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In der 4 ist im Querschnitt ein gegenüber der 1 modifiziertes Werkzeug 30 dargestellt. Dieses weist lediglich eine einzige Honleiste 31 auf. Zum Ausgleich bzw. Führung des Werkzeugträgers 32 im ersten Bohrungsabschnitt 2 sind zusätzlich an der Außenwand des Werkzeugträgers 32 zwei Stützleisten 33, 34 angeordnet bzw. eingesetzt. Die beiden, um 120° zueinander versetzt angeordneten Stützleisten 33, 34 erzeugen dabei eine in Richtung der Honleiste 31 wirkende Reaktionskraft, um den Werkzeugträger 32 in seiner Längsachse 22 und somit zum Werkstück 1 zu zentrieren bzw. zu führen.
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In der 5 ist der Querschnitt durch ein weiteres, modifiziertes Werkzeug 40 dargestellt. Das Werkzeug 40 unterscheidet sich von dem Werkzeug 30 durch den zusätzlichen Einsatz einer Elektrode 41 auf der der Honleiste 31a gegenüberliegenden Seite des Werkzeugträgers 32a. Die Elektrode 41 ist Bestandteil einer weiteren ECM-Bearbeitungseinrichtung 42 zum Bearbeiten der Wand 3 des ersten Bohrungsabschnitts 2 im Werkstück 1. Hierbei ist die Elektrode 41 gegenüber dem Werkzeugträger 32a elektrisch isoliert und kann separat oder aber gemeinsam mit der Bearbeitungseinrichtung 25 bzw. deren Elektrode 26 sowie der Honleiste 31a aktiviert werden.
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In der 2 ist im Längsschnitt ein weiteres erfindungsgemäßes Werkzeug 50 dargestellt. Anstelle von Honleisten weist das Werkzeug 50 an seinem Außenumfang einen Abrasivbelag 51 auf, wobei der Wandabschnitt 52 des Werkzeugträgers 53, an dem der Abrasivbelag 51 angeordnet ist, eine relativ geringe Wandstärke aufweist. Das Aufweiten bzw. Vergrößern des Durchmessers des Werkzeugträgers 53 zur Bearbeitung des ersten Bohrungsabschnitts 2 erfolgt bei dem Werkzeug 50 durch ein Hydraulikmedium, so dass bei einer Erhöhung des Drucks innerhalb des Werkzeugträgers 53 im Wandbereich 52 der Außendurchmesser des Wandabschnitts 52 und somit auch des Abrasivbelages 51 vergrößert wird. Auch beim Werkzeug 50 ist an der Stirnfläche des Werkzeugträgers 53 eine Elektrode 26 zur elektrochemischen Materialbearbeitung der Sitzfläche 7 angeordnet bzw. vorgesehen.
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In der 3 ist im Längsschnitt ein nochmals modifiziertes erfindungsgemäßes Werkzeug 60 dargestellt. Auch das Werkzeug 60 weist an seinem Außenumfang einen Abrasivbelag 61 entsprechend des Werkzeugs 50 auf, jedoch ist der Werkzeugträger 62 zumindest im Bereich des Abrasivbelages 61 geschlitzt ausgebildet, so dass der leicht kegelförmige Innenwandabschnitt 63 des Werkzeugträgers 53 mit einem Aufweitkegel 64 zusammenwirken kann, um den Durchmesser des Abrasivbelages 61 zu beeinflussen.
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Das in der 6 dargestellte erfindungsgemäße Werkzeug 70 unterscheidet sich von dem Werkzeug 60 dadurch, dass zwischen dessen Abrasivschicht 71 und dem Werkzeugträger 72 eine Isolationsschicht 73 und eine elektrisch leitfähige Schicht 74 angeordnet sind. Hierbei ist die elektrisch leitfähige Schicht 74 in Wirkverbindung mit der Abrasivschicht 71 angeordnet und gegen den Werkzeugträger 72 mittels der Isolationsschicht 73 elektrisch isoliert. Mit dieser Ausbildung ist es möglich, die Abrasivschicht 71 nicht nur zum Honen, sondern gleichzeitig auch für eine elektrochemische Materialbearbeitung zu nutzen.
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Anhand der 6 erkennt man ferner, dass das Werkstück 1 mit zwei Spannungsquellen 77, 78 über Schalter 80 bis 82 elektrisch mit der Elektrode 26 sowie der elektrisch leitenden Schicht 74 gekoppelt sein kann.
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In den 7 bis 9 sind die verschiedenen Schaltstellungen der Schalter 80 bis 82 für unterschiedliche Betriebsarten dargestellt: In der 7 ist der Schalter 80 geschlossen, während die Schalter 81 und 82 geöffnet sind. In dieser Schaltstellung ist die Elektrode 26 mittels der Spannungsquelle 77 aktiviert, während der Abrasivbelag 71 elektrisch nicht mit einer Spannungsquelle 78 verbunden ist. Somit findet lediglich ein mechanischer Materialabtrag im ersten Bohrungsabschnitt 2 sowie ein elektrochemischer Materialabtrag an der Sitzfläche 7 statt.
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In der 8 ist der Fall dargestellt, bei der sowohl der Schalter 80, als auch der Schalter 82 geschlossen ist, während der Schalter 81 sich in seiner geöffneten Stellung befindet. In dieser Schaltstellung findet zusätzlich zum Honen des ersten Bohrungsabschnitts 2 mittels des Abrasivbelags 71 eine elektrochemische Materialbearbeitung des ersten Bohrungsabschnitts 2 des Werkstücks 1 sowie der Sitzfläche 7 statt.
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In der 9 ist der Fall dargestellt, bei dem der Schalter 80 und 82 geöffnet ist, während der Schalter 81 geschlossen ist. Hier findet eine sogenannte ECDM-Bearbeitung des ersten Bohrungsabschnitts 2 des Werkstücks 1 statt, während die Sitzfläche 7 mittels des ECM-Verfahrens bearbeitet wird.
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Zur Unterscheidung zwischen einem ECM- und einem ECDM-Verfahren wird auf die 10 verwiesen, bei der typische Spannungsimpulse bei einer ECDM-Bearbeitung und einer ECM-Bearbeitung dargestellt sind. Man erkennt, dass die Spannungsimpulse 28 bei einer ECDM-Bearbeitung ein höheres Spannungsniveau aufweisen als die Spannungsimpulse 29 bei einer ECM-Bearbeitung. Jedoch ist die Pulsdauer der Spannungsimpulse 28 relativ gering gegenüber einem Spannungsimpuls 29 bei dem ECM-Verfahren.
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Die soweit beschriebenen Werkzeuge 10, 30, 40, 50, 60 und 70 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in der Ausbildung eines Hybridwerkzeuges, das die gleichzeitige oder alternativ eine zeitlich versetzte Bearbeitung eines ersten Bohrungsabschnitts 2 und einer Sitzfläche 7 in einem Werkstück 1 ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006024677 A1 [0003]
