DE102010052271B4 - Honing tool and method for honing the inner surface of a bore in a workpiece - Google Patents
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Abstract
Honwerkzeug (1) zum Honen einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, umfassend zumindest eine Schneidgruppe (2) mit zumindest einem Schneidstoffkörper (3), wobei jeder Schneidgruppe (2) eine Stützgruppe (4) gegenüberliegend zu dem Schneidstoffkörper (3) zugeordnet ist,
wobei zwischen dem Schneidstoffkörper (3) und der Stützgruppe (4) eine Aufnahmeeinrichtung (5) mit zumindest zwei piezoelektrischen Aktorelementen (6) angeordnet ist, wobei ein piezoelektrisches Aktorelement (6) mit der Schneidgruppe (2) und mit der Aufnahmeeinrichtung (5),
und das andere piezoelektrische Aktorelement (6) mit der Stützgruppe (4) und mit der Aufnahmeeinrichtung (5) verbunden ist,
so dass die Aufnahmeeinrichtung (5) zusammen mit den zwei piezoelektrischen Aktorelementen (6) die Schneidgruppe (2) und die Stützgruppe (4) direkt verbindet,
und sich die Zustellbeträge der piezoelektrischen Aktorelemente (6) additiv von der Stützgruppe (4) hin zur Schneidgruppe (2) auf den Seiten der Aufnahmeeinrichtung (5) überlagern und dadurch eine mögliche Aufweitung vergrößern.
Honing tool (1) for honing an inner surface of a bore in a workpiece, comprising at least one cutting group (2) with at least one cutting body (3), each cutting group (2) being associated with a support group (4) opposite the cutting tool body (3),
wherein between the cutting material body (3) and the support group (4) a receiving device (5) with at least two piezoelectric actuator elements (6) is arranged, wherein a piezoelectric actuator element (6) with the cutting group (2) and with the receiving device (5),
and the other piezoelectric actuator element (6) is connected to the support group (4) and to the receiving device (5),
such that the receiving device (5) together with the two piezoelectric actuator elements (6) directly connects the cutting group (2) and the support group (4),
and additively overlap the delivery amounts of the piezoelectric actuator elements (6) of the support group (4) towards the cutting group (2) on the sides of the receiving device (5) and thereby increase a possible expansion.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Honwerkzeug und ein Verfahren zum Honen einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Honen einer Zylinderlauffläche eines Zylinderblockes einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Honwerkzeug innerhalb der Bohrung bewegt wird und mindestens eine an dem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt wird.The present invention relates to a honing tool and a method for honing an inner surface of a bore in a workpiece, in particular for honing a cylinder surface of a cylinder block of an internal combustion engine, in which a honing tool is moved within the bore and at least one attached to the honing tool cutting group with at least one Schneidstoffkörper for material-removing machining of the inner surface is pressed with a feed force to the inner surface.
Die Kraftfahrzeugentwicklung, insbesondere die Entwicklung von Verbrennungskraftmotoren wird seit vielen Jahren mit sehr hoher Intensität vorangetrieben. Um dem ausgeprägten Wettbewerb zu begegnen ist es notwendig, höchsten Qualitätsansprüchen zu genügen.The development of motor vehicles, in particular the development of internal combustion engines, has been pursued with great intensity for many years. To meet the strong competition, it is necessary to meet the highest quality standards.
Bei der Herstellung von Zylinderbohrungen von Brennkraftmaschinen werden die Zylinderlaufflächen üblicherweise mit dem Ziel einer verbesserten Maß- und Formgenauigkeit durch ein Honverfahren endbearbeitet. Durch das Honverfahren werden sowohl hohe Genauigkeiten erzielt als auch gute tribologische Eigenschaften erreicht, welche an den Laufflächen von Verbrennungsmotoren besonders wichtig sind.In the production of cylinder bores of internal combustion engines, the cylinder surfaces are usually finished with the aim of improved dimensional and form accuracy by a honing process. The honing process achieves both high accuracies and good tribological properties, which are particularly important on the running surfaces of internal combustion engines.
Wird eine Zylinderbohrung eines Zylinderblocks exakt zylinderförmig gefertigt, entstehen dennoch durch bestimmte Belastungen Verformungen, die zu Abweichungen der gefertigten Form führen. Beispielsweise verformen sich die Zylinderbohrungen bei der Montage des Zylinderkopfes auf den Zylinderblock. Die hohen Betriebstemperaturen bei Verbrennungskraftmaschinen führen zudem zu thermischen Verformungen und verursachen Abweichungen von der genauen Zylinderform. Somit besitzen die Zylinderbohrungen während des späteren Betriebes einen Formfehler, obwohl sie exakt gefertigt wurden. Zu den Folgen zählt neben erhöhten Reibwerten auch eine schlechtere Abdichtung im Brennraum.If a cylinder bore of a cylinder block is made exactly cylindrical, nevertheless certain deformations cause deformations which lead to deviations of the manufactured form. For example, the cylinder bores deform during assembly of the cylinder head on the cylinder block. The high operating temperatures in internal combustion engines also lead to thermal deformation and cause deviations from the exact cylindrical shape. Thus, the cylinder bores have a dimensional error during later operation, although they have been manufactured accurately. The consequences include not only increased friction but also a poorer seal in the combustion chamber.
Eine nicht exakt zylinderförmige Zylinderbohrung wirkt sich negativ auf die Faktoren Lebensdauer, Benzin- und Ölverbrauch sowie Verunreinigungen von Benzin, Öl und Abgasen aus.A not exactly cylindrical cylinder bore has a negative effect on the factors life, petrol and oil consumption as well as contamination of gasoline, oil and exhaust gases.
Aus der
Die
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Weitere Beispiele für Honwerkzeuge sind in
Die
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Honwerkzeug zur Honbearbeitung von Zylinderbohrungen, insbesondere zur Durchführung des vorgenannten Honverfahrens anzugeben, das eine hohe Produktivität bei kostengünstigem Aufbau und variabler Steuerbarkeit seines Bearbeitungseingriffs an der Zylinderbohrung gestattet.It is an object of the present invention to provide a honing tool for honing cylinder bores, in particular for carrying out the aforementioned honing method, which allows a high productivity at low cost construction and variable controllability of its machining engagement with the cylinder bore.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Honbearbeitung einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere einer Zylinderbohrung in einem Zylinderblock einer Brennkraftmaschine anzugeben, das eine hohe Arbeitsproduktivität bei der Berücksichtigung von montagebedingten Formänderungen der Zylinderbohrung gestattet.The invention is further based on the object of specifying a method for honing a bore in a workpiece, in particular a cylinder bore in a cylinder block of an internal combustion engine, which allows a high labor productivity in the consideration of assembly-related changes in shape of the cylinder bore.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Honwerkzeuges erfindungsgemäß gelöst durch ein Honwerkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Aufgabe wird des weiteren gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein erfindungsgemäßes Honwerkzeug zum Honen einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Honen einer Zylinderlauffläche eines Zylinderblockes einer Brennkraftmaschine, umfassend zumindest eine Schneidgruppe mit zumindest einem Schneidstoffkörper, wobei jeder Schneidgruppe eine Stützgruppe gegenüberliegend zu dem Schneidstoffkörper zugeordnet ist, wobei zwischen dem Schneidstoffkörper und der Stützgruppe zumindest zwei piezoelektrische Aktorelemente derart angeordnet sind, dass die piezoelektrischen Stellkräfte der Aktorelemente additiv zur Wirkung auf den Schneidstoffkörper gebracht werden. Da sich die Stützgruppe an der Innenfläche der Bohrung abstützt, werden die auf den Schneidkörper wirkenden Stellkräfte der piezoelektrischen Aktorelemente addiert, so dass große Stellkräfte und lange Stellwege erzielt werden können. Durch eine Gestaltungsform weist die Stützgruppe eine an die Innenfläche der Bohrung angepasste vorzugsweise konvexe Geometrie auf.This object is achieved in terms of the honing tool according to the invention by a honing tool with the features of claim 1. The object is further achieved by a method having the features of claim 8. Preferred embodiments are subject of the dependent claims. An inventive honing tool for honing an inner surface of a bore in a workpiece, in particular for honing a cylinder surface of a cylinder block of an internal combustion engine, comprising at least one Cutting group with at least one cutting material body, wherein each cutting group is assigned a support group opposite to the cutting material body, between the cutting material body and the support group at least two piezoelectric actuator elements are arranged such that the piezoelectric restoring forces of the actuator elements are added to the effect on the cutting material body. Since the support group is supported on the inner surface of the bore, the force acting on the cutting body actuating forces of the piezoelectric actuator elements are added so that large restoring forces and long travel can be achieved. By a design form, the support group has a preferably convex geometry adapted to the inner surface of the bore.
Insbesondere ist es ein Vorteil, wenn zwischen den piezoelektrischen Aktorelementen eine Aufnahmeeinrichtung angeordnet ist, die schwimmend gegenüber einem Körper des Honwerkzeugs gelagert ist, wobei vorzugsweise zumindest eines der piezoelektrischen Aktorelemente schwimmend gegenüber dem Körper des Honwerkzeugs und/oder gegenüber der Aufnahmeeinrichtung gelagert ist, bevorzugt gleitend im Körper des Honwerkzeugs und/oder in der Aufnahmeeinrichtung geführt wird. Dadurch wird die Größe der möglichen herstellbaren Formabweichungen etwa verdoppelt.In particular, it is an advantage if between the piezoelectric actuator elements, a receiving device is arranged, which is floatingly mounted relative to a body of the honing tool, preferably at least one of the piezoelectric actuator elements is floatingly mounted relative to the body of the honing tool and / or against the receiving device, preferably slidably is guided in the body of the honing tool and / or in the receiving device. As a result, the size of the possible producible form deviations is approximately doubled.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn zwei piezoelektrische Aktorelemente mit der Schneidgruppe verbunden sind, wobei die Schneidgruppe vorzugsweise durch unterschiedliche Zustellbeträge der piezoelektrischen Aktorelemente kippbar ist, bevorzugt um eine von der Längsachse des Honwerkzeuges verschiedene, insbesondere eine dazu orthogonale Achse. Durch die Kippbewegung der Schneidstoffkörper kann der Materialabtrag an der Zylinderlauffläche auf ein in Hubrichtung nichtzylindrisches Profil eingestellt werden.It proves to be advantageous if two piezoelectric actuator elements are connected to the cutting group, wherein the cutting group is preferably tilted by different delivery amounts of the piezoelectric actuator elements, preferably a different from the longitudinal axis of the honing tool, in particular an orthogonal axis. Due to the tilting movement of the cutting material body, the removal of material on the cylinder running surface can be adjusted to a non-cylindrical profile in the stroke direction.
Es ist vorteilhaft, wenn das Honwerkzeug wenigstens zwei unabhängig voneinander zustellbare Schneidgruppen aufweist, die vorzugsweise in unterschiedlichen Umfangswinkelbereichen und/oder unterschiedlichen Höhenbereichen des Honwerkzeuges wirksam sind.It is advantageous if the honing tool has at least two independently deliverable cutting groups, which are preferably effective in different circumferential angular ranges and / or different height ranges of the honing tool.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Honwerkzeug bevorzugt drei Schneidgruppen aufweist, welche jeweils im Abstand eines Winkels von 120° um die Längsachse des Honwerkzeuges angeordnet sind.It proves to be advantageous if the honing tool preferably has three cutting groups, which are each arranged at an interval of an angle of 120 ° about the longitudinal axis of the honing tool.
Vorzugsweise ist wenigstens einer der piezoelektrischen Aktorelemente im Wesentlichen radial zur Längsachse des Honwerkzeuges angeordnet.Preferably, at least one of the piezoelectric actuator elements is arranged substantially radially to the longitudinal axis of the honing tool.
Überdies kann das Honwerkzeug eine Einstelleinrichtung zur mechanischen Grobeinstellung der Schneidgruppen aufweisen. Dadurch können die Schneidgruppen vor dem Honverfahren an den Durchmesser der Zylinderbohrung angepasst werden.Moreover, the honing tool can have an adjusting device for the mechanical coarse adjustment of the cutting groups. As a result, the cutting groups can be adapted to the diameter of the cylinder bore before the honing process.
Die obige Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Honen einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Honen einer Zylinderlauffläche eines Zylinderblockes einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Honwerkzeug innerhalb der Bohrung bewegt wird und mindestens eine an dem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche der Bohrung eingesetzt wird, wobei dem Schneidstoffkörper eine Stützgruppe gegenüberliegt, wobei zumindest zwei zwischen dem Schneidstoffkörper und der Stützgruppe angeordnete, piezoelektrische Aktorelemente piezoelektrische Stellkräfte erzeugen, die additiv zur Wirkung auf den Schneidstoffkörper gebracht werden. Durch die additive Wirkung der durch die piezoelektrischen Aktorelemente erzeugten Kräfte wird eine hohe Arbeitsproduktivität erreicht.The above object is achieved in terms of the method according to the invention by a method for honing an inner surface of a bore in a workpiece, in particular for honing a cylinder surface of a cylinder block of an internal combustion engine, in which a honing tool is moved within the bore and at least one attached to the honing tool cutting group at least one cutting material body is used for material-removing machining of the inner surface of the bore, wherein the cutting material body is opposed to a support group, wherein at least two arranged between the cutting material body and the support group, piezoelectric actuator elements generate piezoelectric actuating forces, which are additively brought to the effect on the cutting material body. Due to the additive effect of the forces generated by the piezoelectric actuator elements, a high work productivity is achieved.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn das Honwerkzeug mehrere, vorzugsweise drei Schneidgruppen aufweist, deren Zustellbewegung und/oder Zustellkraft unabhängig voneinander gesteuert wird. So kann durch einen über die Innenfläche des Zylinders lokal variierenden Materialabtrag an der Innenfläche eine vorgegebene Sollform der Bohrung erzeugt werden. Durch das gezielte Ansteuern mehrerer piezoelektrischer Aktorelemente kann der Materialabtrag besonders genau eingestellt werden.In particular, it is advantageous if the honing tool has several, preferably three cutting groups whose feed movement and / or delivery force is controlled independently of one another. Thus, a predetermined desired shape of the bore can be generated by a locally varying over the inner surface of the cylinder material removal on the inner surface. By selectively controlling a plurality of piezoelectric actuator elements, the removal of material can be adjusted particularly accurately.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Zustellbewegung und/oder die Zustellkraft für die Schneidgruppen getrennt sind/ist und in Abhängigkeit von Winkelposition und Hublage des Honwerkzeuges und/oder des Bearbeitungsfortschritts gesteuert werden/wird.It proves to be advantageous if the feed movement and / or the feed force for the cutting groups is / is separated and controlled depending on the angular position and stroke position of the honing tool and / or the processing progress / is.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Zustellung der piezoelektrischen Aktorelemente im Millisekundentakt verändert wird. Das bedeutet, dass die Zustellung der piezoelektrischen Aktorelemente mit einer Taktung im Bereich von 0,1 bis 100, vorzugsweise 0,5 bis 10 Millisekunden, bevorzugt 1 Millisekunde erfolgen kann. Wenn die piezoelektrischen Aktorelemente in sehr kurzer Zeit ihre Position verändern können, ist es möglich die geforderte Ausgangsform sehr genau zu fertigen und dadurch die Reibungs- und Dichtungseigenschaften zwischen Kolben und Zylinder zu verbessern. Durch die hohe Dynamik wird zudem eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit ermöglicht. Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Schneidgruppe je nach der Hub- und Winkellage der Schneidgruppe und in Abhängigkeit vom Bearbeitungsfortschritt mit entweder sehr wenig bzw. keiner Zustellkraft oder mit einer im Wesentlichen konstanten Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt wird.In particular, it is advantageous if the delivery of the piezoelectric actuator elements is changed in the millisecond cycle. This means that the delivery of the piezoelectric actuator elements can take place with a clocking in the range of 0.1 to 100, preferably 0.5 to 10 milliseconds, preferably 1 millisecond. If the piezoelectric actuator elements can change their position in a very short time, it is possible to produce the required output shape very accurately and thereby improve the friction and sealing properties between the piston and cylinder. The high dynamics also enable a high processing speed. It proves to be advantageous if the cutting group depending on the lifting and Angular position of the cutting group and is pressed depending on the processing progress with either very little or no feed force or with a substantially constant feed force to the inner surface.
Zudem kann, zumindest in einem Zeitpunkt, vorzugsweise am Ende der materialabtragenden Bearbeitung, an jedem lokalen Bereich der Innenfläche die im Wesentlichen gleiche Zustellkraft erzeugt werden. Dies führt zu einer Oberfläche mit homogenen Eigenschaften, insbesondere bezüglich der Rauheit und der Oberflächentopografie. Vorzugsweise wird an der Bohrung eine Formabweichung erzeugt, die einem Zylindrizitätsfehler von etwa 1 Promille des Bohrungsdurchmessers entspricht. Insbesondere erweist es sich als vorteilhaft, wenn der variierende Materialabtrag durch die Auslenkung des Schneidstoffkörpers in Abhängigkeit von Werkzeugposition und Bearbeitungsfortschritt realisiert wird.In addition, at least at one point in time, preferably at the end of the material-removing machining, the substantially same feed force can be generated at each local area of the inner surface. This leads to a surface with homogeneous properties, in particular with regard to the roughness and the surface topography. Preferably, a shape deviation corresponding to a cylindricity error of about 1 per thousand of the bore diameter is generated at the bore. In particular, it proves to be advantageous if the varying material removal is realized by the deflection of the cutting material body as a function of tool position and processing progress.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der Schneidstoffkörper durch unterschiedliche Zustellbeträge von zumindest zwei nebeneinander angeordneten piezoelektrischen Aktorelementen um eine von der Längsachse des Honwerkzeuges verschiedenen Achse, vorzugsweise um eine zur Längsachse des Hinwerkzeuges orthogonalen Achse gekippt werden kann. Durch die definierte Kippbewegung der Schneidstoffkörper kann der Materialabtrag an der Zylinderlauffläche besonders genau an ein in Hubrichtung nichtzylindrisches Profil eingestellt werden.It proves to be advantageous if the cutting material body can be tilted by different delivery amounts of at least two juxtaposed piezoelectric actuator elements about an axis different from the longitudinal axis of the honing tool axis, preferably about an axis orthogonal to the longitudinal axis of the Hinwerkzeuges axis. Due to the defined tilting movement of the cutting material body, the removal of material on the cylinder running surface can be adjusted particularly precisely to a non-cylindrical profile in the stroke direction.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
-
1 einen Ausschnitt einer Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Honwerkzeuges, -
2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Honwerkzeug, und -
3 eine schematische Schnittansicht im Längs- und Querschnitt eines Aktorpaketes eines erfindungsgemäßen Honwerkzeuges.
-
1 a detail of a sectional view of a honing tool according to the invention, -
2 a schematic representation of a section of a sectional view of a honing tool according to the invention, and -
3 a schematic sectional view in the longitudinal and cross section of an actuator package of a honing tool according to the invention.
Bei dem in
Wenn das Honwerkzeug
Das zylindrische Honwerkzeug
Zur Steuerung der piezoelektrischen Aktorelemente
Die Einstelleinrichtung zur mechanischen Grobeinstellung der Schneidgruppen
Für den Honvorgang werden Schneidstoffkörper
In
Beim Honvorgang wird die Zustellkraft an jeder Schneidgruppe
Je nach Position werden die Schneidgruppen
Der Zylinderblock wird zum Honen in die Werkzeugmaschine eingespannt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich bereits eine zylinderförmige Bohrung im Zylinderblock und der Honvorgang bildet den letzten Bearbeitungsschritt.The cylinder block is clamped in the machine tool for honing. At this time, there is already a cylindrical bore in the cylinder block and the honing process forms the last processing step.
Dazu wird das Honwerkzeug
Ziel dieses Bearbeitungsschrittes ist neben der Erzeugung guter tribologischer Eigenschaften die durch den Materialabtrag mögliche Formgebung des Zylinders. Der Materialabtrag ist beim Honvorgang im Vergleich zu anderen Verfahren zum Spanen mit geometrisch bestimmter oder unbestimmter Schneide gering und deshalb kann auch die Zylinderform nur leicht beeinflusst werden. Auch die Formabweichungen, die der Zylinderblock während der folgenden Montage des Zylinderkopfes und Betriebsbelastungen erfährt sind gering und somit ergibt sich eine Formabweichung von der Zylinderform im µm-Bereich um spätere Formabweichungen auszugleichen.The aim of this processing step is, in addition to the generation of good tribological properties, the possible shaping of the cylinder due to the material removal. The removal of material during the honing process is small in comparison to other processes for machining with a geometrically determined or indefinite cutting edge, and therefore the cylindrical shape can only be influenced slightly. Also, the shape deviations experienced by the cylinder block during the subsequent assembly of the cylinder head and operating loads are low and thus results in a shape deviation of the cylindrical shape in the micron range to compensate for later deviations in shape.
Zur Berechnung der Formabweichung von der Zylinderform wird der Zylindrizitätsfehler (ΔZ) betrachtet. Dieser wird mit der Formel:
Während des Honvorgangs wird ein Zylindrizitätsfehler von der Größe von etwa einem Promille des Bohrungsdurchmessers erzeugt.During the honing process, a cylindricity error of the size of about one-thousandth of the bore diameter is generated.
Durch die piezoelektrischen Aktorelemente
Während der Honbearbeitung werden die Schneidgruppen
Am Ende des Honvorganges wird das Honwerkzeug
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
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R084 | Declaration of willingness to licence |