DE102014210012A1

DE102014210012A1 - Honverfahren zur Feinbearbeitung von Bohrungen

Info

Publication number: DE102014210012A1
Application number: DE102014210012.7A
Authority: DE
Inventors: Florian Kranichsfeld; Joachim Weiblen; Fabio Antonio Xavier; Oliver Bachmann
Original assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Current assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2015-11-26
Also published as: SI3148745T1; JP6345275B2; EP3148745B1; ES2747366T3; HUE045034T2; EP3148745A1; JP2017516669A; WO2015180994A1; US10160087B2; US20170190015A1

Abstract

Bei einem Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung (122) in einem Werkstück (120) mittels mindestens einer Honoperation wird bei einer Honoperation ein aufweitbares Honwerkzeug verwendet, welches in einem spindelfernen Endbereich eines Werkzeugkörpers eine aufweitbare ringförmige Schneidgruppe (220) mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern aufweist, deren axiale Länge kleiner als der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern ist. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: Starres Ankoppeln des Honwerkzeugs an eine Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine; Relative Positionierung des Honwerkzeugs und der Bohrung so, dass eine Werkzeugachse (212) des Honwerkzeugs koaxial mit einer Soll-Position (SB) der Bohrungsachse der Bohrung ist; Einführen des Honwerkzeugs in die Bohrung mit zurückgezogenen Schneidstoffkörpern bis in eine Einfuhr-Endposition, in welcher sich die Schneidgruppe in einem eintrittsfernen Endbereich (123) der zu bearbeitenden Länge der Bohrung befindet; Drehen des Honwerkzeugs und gleichzeitiges Expandieren der Schneidgruppe an oder im Bereich der Einfuhr-Endposition bis in eine erste Radialposition der Schneidstoffkörper derart, dass durch materialabtragenden Eingriff von Schneidstoffkörpern an der Innenseite der Bohrung im Endbereich der Bohrung eine im Wesentlichen zu der Soll-Position der Bohrungsachse zentrierte zylindrische Erweiterung (121) der Bohrung erzeugt wird; Herausziehen des Honwerkzeugs aus der Bohrung bei gleichzeitiger Drehung des Honwerkzeugs derart, dass die Bohrung ausgehend von der zylindrischen Erweiterung sukzessive in Richtung der Eintrittsseite erweitert wird.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung bezieht sich auf ein Honverfahren zur Feinbearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Bearbeitung von im Wesentlichen zylindrischen Gleitlagerflächen in Bauteilen für den Motorenbau, insbesondere die Bearbeitung von Zylinderlaufflächen eines Motorblocks oder die Bearbeitung von Pleuelaugen in Pleueln.
Das klassische Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem ein vielschneidiges Honwerkzeug eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführt, die zu einer charakteristischen Oberflächenstruktur der bearbeiteten Innenfläche führt. Meist, aber nicht immer, wird dabei eine Oberflächenstruktur mit überkreuzten Bearbeitungsspuren (Kreuzschliff) angestrebt. Die Arbeitsbewegung des Honwerkzeugs im Werkstück besteht in der Regel aus einer axial hin und hergehenden Hubbewegung und einer dieser überlagerten Drehbewegung. Durch Honen sind endbearbeitete Oberflächen herstellbar, die extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen sowie hinsichtlich der Oberflächenstruktur genügen. Dementsprechend werden beispielsweise beim Motorenbau Zylinderlaufflächen, d.h. Innenflächen von Zylinderbohrungen in einem Motorblock oder in einer in einen Motorblock einzubauenden Zylinderhülse, Lagerflächen für Wellen und die zylindrischen Innenflächen in Pleuelaugen einer Honbearbeitung unterzogen.
Toleranzen verlangen, dass Bohrungen eine bestimmte Position in einem werkstückbezogenen Koordinatensystem aufweisen. Der Begriff „Position“ bezeichnet hier eine dreidimensionale Position der Bohrungen, d.h. sowohl die örtliche Lage einer Bohrung als auch die Winkellage bzw. die Orientierung der Bohrung im Koordinatensystem des Werkstücks. Die Position der Bohrung kann z.B. durch die Position der Bohrungsachse repräsentiert sein.
Einige der dem Honen vorgeschalteten Prozesse schaffen in der Regel Bohrungen, deren Position nicht mit der Soll-Position übereinstimmt. Aufgabe nachgelagerter Bearbeitungsoperationen ist es dann, die Position der Bohrung hin zur Soll-Position zu korrigieren Zur Vorbereitung der zu bearbeitenden Werkstücke für das Honen ist dem Honen häufig eine Vorbearbeitung durch Feinbohren (auch Feindrehen oder Feinspindeln genannt) vorgeschaltet, also eine spanabtragende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide. Das Feinbohren kann als positionskorrigierende bzw. positionsbestimmende Feinbohroperationen dazu ausgelegt sein, die gewünschte Position der Bohrung festzulegen. Damit kann in nachfolgenden Honoperationen mit einem kardanisch oder auf andere Weise begrenzt beweglich gelagerten Honwerkzeug der durch die Feinbohroperation festgelegten Bohrungsachse nachgefahren werden, ohne die Position noch zu verändern. Eine wesentliche Aufgabe der Honoperation ist dann die Erzeugung der geforderten Oberflächenrauheit, der Zylinderform und des Durchmessers.
Es gibt auch Vorschläge, die Position der Bohrung durch Honen zu verlagern und dadurch einzustellen. Aus dem Patent DE 103 48 419 C5 ist ein Honverfahren zum Schrupphonen der Mantelfläche einer Bohrung im Partialschnitt durch ein Honwerkzeug mit Honleisten an einer fliegend gelagerten Arbeitsspindel bekannt. Der Begriff "Schrupphonen" steht hier für eine Honbearbeitung mit relativ starkem Materialabtrag. Das Honwerkzeug wird mit seiner Längsachse an der Soll-Position der Bohrung positioniert und zentrisch zur Soll-Position der Bohrung in die Bohrung eingeführt. Die Längsachse der Arbeitsspindel liegt also bei Versatz zur Längsachse der Bohrung vor dem Honen exzentrisch zur Bohrung. Während der Honoperation wird der Materialabtrag in der Bohrung derart ausgeführt, dass eine Verschiebung der Längsachse der Bohrung erfolgt, bis eine gegebenenfalls aufgetretene Auslenkung eliminiert ist und die Längsachse der fertigen Bohrung mit der Längsachse der Arbeitsspindel koaxial ist. Danach wird in der koaxialen Lage der Längsachsen die Mantelfläche durch Schrupphonen im Vollschnitt gleichmäßig gehont. Um die Steifigkeit der Anordnung zu erhöhen, wird eine Schlitteneinheit für einen bestimmten Abschnitt des Verfahrens mit der Arbeitsspindel in Längsrichtung der Arbeitsspindel derart arretiert, dass die Hubbewegung des Honwerkzeugs von der Schlitteneinheit ausgeführt wird, so dass die Arbeitsspindel von der Schlitteneinheit alternierend bezüglich ihrer Längsachse bewegt wird.
Die Positionsverlagerung der Bohrungsachse wird hier über eine mehr oder weniger starre bzw. steife Auslegung von Honmaschine, Spindel und Honwerkzeug bewirkt. Die gewünschte Soll-Position wird genau angefahren, die Steifigkeit in Honmaschine, Arbeitsspindel und Honwerkzeug bewirkt, dass sich während des Bearbeitungsvorgangs die Bohrungsposition der Werkzeugposition und damit der Soll-Position annähert.
Die DE 10 2010 010 901 A1 beschreibt Honverfahren zur Honbearbeitung von Kurbelwellenlagerbohrungen. Dabei wird eine Honoperation mit starkem Materialabtrag als achslagenkorrigierende Honoperation derart durchgeführt, dass durch die Honoperation eine Verlagerung der Bohrungsachse in Richtung der Soll-Position erfolgt. Das Honwerkzeug wird dazu mit Abstand von der Kupplungsstelle zur Arbeitsspindel in radialer Richtung abgestützt, wobei sich zwischen der Abstützstelle und der Kupplung zur Antriebsstange mindestens eine Schneidgruppe des Honwerkzeugs befindet.
Die genannten konventionellen Verfahren zur Korrektur der Bohrungsposition mittels Honen erfordern erheblichen Aufwand bei der Konstruktion der Bearbeitungsmaschine und/oder des Honwerkzeugs, um diese ausreichend stabil gegen beim Honen auftretende Querkräfte zu machen. Die Werkstücke können bei der Bearbeitung erheblichen Kräften ausgesetzt sein.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Honverfahren zur Feinbearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück bereitzustellen, das es erlaubt, bei relativ geringem konstruktiven Aufwand bei der Konstruktion der Bearbeitungsmaschine und/oder des Honwerkzeugs ein Bohrung so zu bearbeiten, dass bei Bedarf mittels Honen eine Korrektur der Bohrungsposition erzielt werden kann. Insbesondere soll eine positionskorrigierende Bearbeitung von relativ labilen Werkstücken ohne bleibende Deformation der Werkstücke ermöglicht werden.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung ein Honverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Das Honverfahren umfasst eine Honoperation, bei der ein aufweitbares Honwerkzeug verwendet wird, welches in einem spindelfernen Endbereich eines Werkzeugkörpers eine aufweitbare, ringförmige Schneidgruppe mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern aufweist, wobei eine axiale Länge der Schneidstoffkörper kleiner ist als der wirksame Außendurchmesser der ringförmigen Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern. Ein solches Honwerkzeug wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als „Ringwerkzeug“ bezeichnet.
Das Honwerkzeug wird starr an eine Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine angekoppelt, wobei die Ankopplung direkt oder unter Zwischenschaltung einer starren Antriebsstange erfolgen kann. Die Ankopplung erfolgt dabei so, dass die Werkzeugachse (Längsmittelachse, Rotationsachse) koaxial zur Spindelachse der Arbeitsspindel verläuft. Durch die starre Ankopplung bleibt diese Orientierung auch bei Einwirkung von Querkräften auf das Honwerkzeug erhalten.
Das Honwerkzeug und die Bohrung werden relativ zueinander so positioniert, dass die Werkzeugachse des Honwerkzeugs koaxial mit der Soll-Position der Bohrungsachse der Bohrung liegt. Dies kann durch Querbewegungen der Arbeitsspindel in einer Ebene senkrecht zur Spindelachse und/oder durch Querbewegungen des die Bohrung enthaltenden Werkstücks in einer Ebene senkrecht zur Bohrungsachse erfolgen.
In einer Einführoperation wird das Honwerkzeug in die Bohrung mit teilweise oder ganz zurückgezogenen Schneidstoffkörpern bis in eine Einfuhr-Endposition eingeführt, in welcher sich die Schneidgruppe in einem eintrittsfernen Endbereich der zu bearbeitenden Länge der Bohrung befindet. Die Schneidstoffkörper werden dabei so weit zurückgezogen, dass sie beim Einführen an keiner Stelle die Bohrungsinnenwand berühren. Die relative Positionierung des Honwerkzeugs in Bezug auf die Bohrung kann zeitlich vor oder nach der Einführoperation oder auch zeitlich überlappend damit erfolgen.
Am Ende der Einführoperation befindet sich die axial relativ schmale ringförmige Schneidgruppe in dem eintrittsfernen Endbereich, der beispielsweise bei einer Sacklochbohrung unmittelbar oder mit nur geringem axialen Abstand in der Nähe des Bohrungsgrundes liegen kann.
In einer nachfolgenden Expandierungsoperation bzw. Aufweitoperation wird das Honwerkzeug um seine Werkzeugachse gedreht und gleichzeitig wird die ringförmige Schneidgruppe aufgeweitet bzw. expandiert, so dass sich ihr wirksamer Außendurchmesser allmählich vergrößert. Die Aufweitung bzw. Expandierung wird solange fortgeführt, bis die Schneidstoffkörper eine erste Radialposition derart erreichen, dass durch materialabtragenden Eingriff von Schneidstoffkörpern an der Innenseite der Bohrung in dem genannten Endbereich der Bohrung eine im Wesentlichen zur Soll-Position der Bohrungsachse zentrierte zylindrische Erweiterung der Bohrung erzeugt worden ist. Die Schneidstoffkörper graben sich aufgrund der Werkzeugdrehung und der gleichzeitigen Aufweitung (Durchmesservergrößerung) der Schneidgruppe zumindest an einem Teil des Umfangs der zu bearbeitenden Bohrung in die Bohrungswandung ein, so dass die zylindrische Erweiterung entsteht. Da sich das Honwerkzeug bei der Expandierungsoperation koaxial zur Werkzeugachse dreht, welche wiederum am Ort der Soll-Position der Bohrungsachse liegt, wird die zylindrische Erweiterung der Bohrung so erzeugt, dass ihr Zentrum mit der Soll-Position der Bohrungsachse zusammenfällt.
Nach Abschluss der Expandierungsoperation, während der die zylindrische Erweiterung erzeugt wird, erfolgt in einer Zugoperation ein Herausziehen des Honwerkzeugs aus der Bohrung bei gleichzeitiger Drehung des Honwerkzeugs derart, dass die Bohrung ausgehend von der Erweiterung sukzessive in Richtung der Eintrittsseite der Bohrung erweitert wird. Dadurch wird erreicht, dass die Bohrung nach vollständigem Herausziehen des Honwerkzeugs aus der Bohrung zur Bohrungsachse zentriert ist, also die gewünschte Soll-Position vorliegt.
Bei dieser Verfahrensweise kann somit ausgehend von einer gegebenenfalls nicht zentrierten, nicht richtig orientierten und/oder nicht kreiszylindrisch geformten Bohrungsform vor Beginn der Honoperation eine kreiszylindrische Bohrung erzeugt werden, deren Bohrungsachse genau an der Soll-Position der Bohrungsachse liegt und die gewünschte Winkellage aufweist. Durch die Honoperation kann somit die Position der Bohrung verändert und in Richtung der Soll-Position korrigiert werden.
Abhängig von der Stärke der Abweichung der Bohrungsposition vor Beginn der Honoperation können dabei relativ starke Querkräfte (Kräfte mit Komponenten senkrecht zur Werkzeugachse) zwischen Honwerkzeug und Werkstück bzw. Bohrungswand auftreten und es kann notwendig sein, dass über den Umfang des Honwerkzeugs ungleichmäßig Material abgetragen wird. Diesen Querkräften wirken beim Herausziehen des Honwerkzeugs aus der Bohrung relativ starke Richtkräfte entgegen, die aufgrund der Zugbelastung in Richtung der Soll-Position des Honwerkzeugs wirken, so dass sich das Honwerkzeug bei der Zugoperation selbst zentrieren möchte. Hierdurch kann die Präzision bei der Bohrungszentrierung verbessert werden. Außerdem ist eine weniger steife Maschinenauslegung erforderlich als in denjenigen Fällen, bei denen Honwerkzeuge bei bohrungskorrigierenden Honoperationen unter Materialabtrag von der Eingangsseite in die nicht optimal positionierte Bohrung eingeführt werden. Zudem beginnt der Prozess der Erzeugung der zentrierten Bohrung im Bereich der zylindrischen Erweiterung, also am eintrittsfernen Ende des zu bearbeitenden Bereichs der Bohrung. In diesem Bereich sind Bohrungen häufig an das übrige Material des Werkstücks angebunden, so dass die Bohrung bzw. das Werkstückmaterial in diesem Bereich auch bei labilen Werkstückkonstruktionen beim Erzeugen der zylindrischen Erweiterung nicht ausweichen kann und bleibende Werkstückdeformationen vermieden werden können.
Auch die axial schmale Gestaltung der Schneidgruppe, also ihre relativ zum Außendurchmesser kurze axiale Ausdehnung, trägt dazu bei, dass nur relativ geringe seitliche Auslenkkräfte auftreten und auch nur auf relativ kurze Distanz bzw. nur auf geringer axialer Länge. Die Gestaltung mit ringförmiger Schneidgruppe führt auch dazu, dass bei relativ geringen Andrückkräften große Schneidleistungen erzielt werden können und dass die Wege für die Abfuhr von abgetragenem Material, also von Abrieb, relativ kurz sind. Dadurch kann ein Zusetzen der abrasiven Schneidflächen der Schneidkörper durch Abrieb vermieden werden und die Schneidkörper bleiben dauerhaft schneidfreudig. Durch die kurze Bauweise ist auch eine bessere Kühlschmierstoffversorgung als bei längeren Honleisten möglich, wodurch wiederum die Möglichkeit geschaffen wird, das Honwerkzeug für den Materialabtrag mit relativ hohen Drehzahlen zu betreiben, so dass mehr Abtrag bei geringeren Schnittkräften erzielt werden kann.
Eine ringförmige Schneidgruppe zeichnet sich im Vergleich zu konventionellen Honleisten unter anderem dadurch aus, dass in dem von der ringförmigen Schneidgruppe abgedeckten axialen Abschnitt wesentlich mehr Kontaktfläche zwischen Schneidstoffkörpern und Bohrungsinnenfläche existiert als in einem vergleichbar schmalen axialen Abschnitt eines konventionellen Honwerkzeugs mit relativ schmalen Honleisten. Bei manchen Ausführungsformen sind an der ringförmigen Schneidgruppe mehr als 60% des Umfangs mit Schneidmittel belegt, insbesondere sogar mehr als 70% oder mehr als 80% des Umfangs der Schneidgruppe.
Die axiale Länge der Schneidstoffkörper kann beispielsweise bei weniger als 30% des wirksamen Außendurchmessers des Honwerkzeugs liegen, insbesondere zwischen 10% und 20% dieses Außendurchmessers. Bei Honwerkzeugen für die Bearbeitung typischer Zylinderbohrungen in Motorblöcken für PKW oder LKW kann die axiale Länge zum Beispiel im Bereich von 5 mm bis 20 mm liegen. Bezogen auf die Bohrungslänge einer zu bearbeitenden Bohrung kann die axiale Länge beispielsweise bei weniger als 10% dieser Bohrungslänge liegen.
Vorzugsweise werden Honwerkzeuge verwendet, bei denen die Schneidstoffkörper als in Umfangsrichtung breite und in Axialrichtung schmale Honsegmente gestaltet sind, wobei eine in Axialrichtung gemessene axiale Länge der Honsegmente kleiner als die in Umfangsrichtung gemessene Breite ist. Ein Honsegment ist in der Regel in sich starr, so dass das gesamte Honsegment als Ganzes beim Zustellen bewegt wird. Ein Honsegment kann eine ununterbrochene Schneidfläche definieren, die Schneidfläche kann ggf. aber auch einmal oder mehrfach unterbrochen sein.
Wenn mindestens drei Honsegmente vorgesehen sind, so können die Bearbeitungskräfte über den gesamten durch Expandierung verfügbaren wirksamen Außendurchmesser des Honwerkzeugs gut und relativ gleichmäßig über den Umfang der Schneidgruppe verteilt werden. Es können zum Beispiel in der Schneidgruppe genau drei, genau vier, genau fünf oder genau sechs Honsegmente gleicher oder unterschiedlicher Umfangsbreite vorgesehen sein. Mehr als sechs Honsegmente innerhalb einer Schneidgruppe sind zwar möglich, machen die Konstruktion aber komplizierter und sind in der Regel nicht erforderlich. In manchen Fällen kann es gegebenenfalls auch ausreichen, wenn das Honwerkzeug nur zwei Honsegmente hat.
Vorzugsweise ist das Honwerkzeug so konstruiert, dass die Schneidstoffkörper radial zugestellt werden können, so dass die Schneidstoffkörper beispielsweise beim Expandieren der Schneidgruppe radial (senkrecht zur Werkzeugachse) zugestellt werden. Durch die radiale Zustellbarkeit, d.h. eine Verschiebung der Honsegmente in Radialrichtung bei der Zustellung, kann erreicht werden, dass die Eingriffsbedingungen zwischen Schneidstoffkörper und Bohrungsinnenfläche unabhängig vom eingestellten Durchmesser praktisch konstant bleiben. Durch Vermeidung von Schneidstoffkörper-Verkippung während der radialen Zustellung kann ein ungleichmäßiger Verschleiß vermieden werden.
Bei manchen Ausführungsformen bilden die Schneidstoffkörper eine keilförmige Schneidfläche, wobei eine Umfangsbreite der Schneidfläche an einer spindelnahen Seite breiter ist als an einer spindelfernen Seite. Die Schneidstoffkörper sind also an derjenigen Seite, die beim Herausziehen des Honwerkzeugs zuerst in das zu beseitigende Material eingreift, breiter ausgebildet, wodurch in gewissem Umfang einem notwendigerweise ungleichmäßigen Verschleiß entgegengewirkt werden kann.
Für eine positionskorrigierende Wirkung des Honverfahrens ist es in der Regel sinnvoll, wenn die Erweiterung so erzeugt wird, dass ein Durchmesserunterschied zwischen der zylindrischen Erweiterung und einem anschließenden, (noch) nicht erweiternden Bohrungsabschnitt nach der Erzeugung der zylindrischen Erweiterung bzw. vor Beginn der Zugoperation mindestens 100 µm beträgt. Vorzugsweise beträgt der Durchmesserunterschied mindestens 200 µm, wobei er beispielsweise zwischen 200 µm und 500 µm liegen kann. Bei einer Zugoperation kann also ein erhebliches Aufmaß im Bereich von einem oder mehreren Zehntel Millimeter (bezogen auf den Durchmesser) in einem Aufwärtshub, d.h. einem Hub in Richtung Eintrittsöffnung, abgetragen werden. Es können ggf. auch grobe Positionsfehler der Bohrung korrigiert werden.
Damit sich das Honwerkzeug vor Beginn der Zugoperation weitgehend ohne äußere Querkräfte selbst zur Soll-Position der Bohrung zentrieren kann, ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, dass nach der Erzeugung der zylindrischen Erweiterung vor Beginn des Herausziehens eine Entlastungsoperation zur Entlastung des Honwerkzeugs durchgeführt wird. Vorzugsweise werden bei der Entlastungsoperation die Schneidstoffkörper ausgehend von der ersten Radialposition um einen vorgebbaren Rückstellbetrag in eine zweite Radialposition zurückgestellt, wobei der Rückstellbetrag beispielsweise zwischen 10 µm und 15 µm betragen kann. Dabei können sich die radial außen liegenden Schneidflächen der Schneidstoffkörper ggf. vom unmittelbaren Eingriff mit der Innenseite der zylindrischen Erweiterung lösen, so dass sich das Honwerkzeug aufgrund von eventuellen Restelastizitäten auf der Antriebsseite (Arbeitsspindel, gegebenenfalls Antriebsstange) selbst in die zentrische Position bewegen kann, von der aus dann die nachfolgende Zugoperation beginnt. Alternativ oder zusätzlich wäre eine Entlastung auch dadurch erzielbar, dass das Honwerkzeug noch wenige Mikrometer axial eingeführt wird.
Bei manchen Verfahrensvarianten wird das Honwerkzeug während der Expandierungsoperation lediglich aufgeweitet und die Schneidgruppe verbleibt an der Einfuhr-Endposition, ohne axial bewegt zu werden. Bei anderen Verfahrensvarianten wird während des Expandierens der Schneidgruppe zur Erzeugung der Erweiterung der Drehung des Honwerkzeugs mindestens phasenweise eine kurzhubige Axialoszillationsbewegung überlagert. Hierdurch kann der Materialabtrag noch verstärkt werden. Kurze Hublängen, beispielsweise im Bereich von 2 mm bis 3 mm, reichen in der Regel hierfür aus.
Bei der Expandierungsoperation, welche zur Erzeugung der zylindrischen Erweiterung führt, wird in der Regel mit relativ hohen Werkzeugdrehzahlen von mehreren Hundert min^–1 gearbeitet, insbesondere bei Drehzahlen von 500 min^–1 oder mehr, beispielsweise im Bereich zwischen 500 und 2000 min^–1. Hohe Drehzahlen sind in der Regel förderlich, um bei relativ geringen Schnittkräften trotzdem hohe Materialabträge pro Zeiteinheit zu erzielen.
Um beim Herausziehen des Honwerkzeugs hinreichenden Materialabtrag zu erzielen, ohne die Taktzeiten des Prozesses zu stark zu verlängern, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn beim Herausziehen des Honwerkzeugs mit einer Hubgeschwindigkeit im Bereich von 0.1 m/s bis zu 2 m/s gearbeitet wird, insbesondere im Bereich von 0.3 m/s bis 0.7 m/s. Optimale Werte innerhalb dieser Bereiche können durch wenige Versuche abhängig vom Material, von den Schneidmitteln und ggf. anderen Parametern ermittelt werden. Bei manchen Materialien kann es auch sein, dass kleinere Hubgeschwindigkeiten nötig oder größere Hubgeschwindigkeiten möglich sind.
Bei den meisten Verfahrensvarianten werden Honwerkzeuge verwendet, bei denen die Schneidstoffkörper Schneidkörner mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 50 µm bis 250 µm aufweisen. Bei Korngrößen in diesem Bereich ist in der Regel ein ausreichend effizienter Materialabtrag möglich, wobei gleichzeitig die nach dem Herausziehen des Honwerkzeugs resultierenden Oberflächenstrukturen so optimiert sind, dass nachfolgende Bearbeitungsstufen, insbesondere durch Honen, nur noch einen geringen Materialabtrag leisten müssen.
Bei manchen Verfahrensvarianten wird in einer der positionskorrigierenden Honoperation folgenden weiteren Honoperation ein aufweitbares Honwerkzeug mit relativ langen Honleisten verwendet, deren Länge deutlich größer als deren Breite in Umfangsrichtung ist. Es kann sich um ein konventionelles Langhub-Honwerkzeug handeln. Die Länge der Honleisten kann z.B. mehr als 30% oder mehr als 40% der Länge der Bohrung betragen. Hierdurch kann bei Bedarf nach der Positionskorrektur noch mittels Honen die Zylinderform der Bohrung verbessert werden.
Bei der Bearbeitungsmaschine kann es sich um eine speziell für Honverfahren eingerichtete Honmaschine handeln, ggf. aber auch um eine andere geeignet ausgerüstete Werkzeugmaschine, beispielsweise ein Bearbeitungszentrum oder eine Schleifmaschine. Das zu bearbeitende Werkstück wird durch eine Werkstückhaltevorrichtung der Bearbeitungsmaschine aufgenommen und gehalten.
Um das Honwerkzeug für eine Honoperation in seine Arbeitsbewegung zu versetzen, wird die Arbeitsspindel mittels eines Drehantriebs um die zugehörige Spindelachse gedreht. Die der Drehung überlagerte axiale Hubbewegung relativ zum bearbeiteten Werkstück kann auf unterschiedliche Weisen erzeugt werden. In vielen Fällen bewegt sich das Werkstück bei der Bearbeitung in axialer Richtung nicht, während die Drehbewegung und die Hubbewegung durch entsprechende Drehung und Hubbewegung der Arbeitsspindel der Bearbeitungsmaschine erzeugt und auf das Honwerkzeug übertragen werden (axial ruhendes Werkstück). Es ist auch möglich, die Hubbewegung durch eine translatorische Bewegung des Werkstücks bei axial ruhender Arbeitsspindel oder durch eine koordinierte Kombination axialer Bewegungen von Werkstück und Arbeitsspindel herbeizuführen. Die Bearbeitungsmaschine weist hierfür mindestens einen Hubantrieb zur Erzeugung einer axialen Hubbewegung der Arbeitsspindel und/oder der Werkstückhaltevorrichtung parallel zu der Spindelachse auf.
Das in dieser Anmeldung beschriebene Honwerkzeug und seine beschriebenen Varianten können für sich genommen, d.h. unabhängig vom Verfahren, schutzfähig sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Teils einer mehrachsigen Bearbeitungsmaschine in Form einer Honmaschine bei der Durchführung einer Ausführungsform des Honverfahrens;
2 in 2A einen axialen Schnitt und in 2B einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Honwerkzeugs mit einer ringförmigen Schneidgruppe;
3 verschiedene Phasen einer positionskorrigierenden Honoperation.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In 1 ist eine schematische Ansicht eines Teils einer NC-gesteuerten, mehrachsigen Bearbeitungsmaschine 100 in Form einer Honmaschine 100 in Richtung parallel zur x-Richtung des Maschinenkoordinatensystems MKS gezeigt. Die Honmaschine hat mehrere in x-Richtung nebeneinander angeordnete und gleichzeitig betreibbare Honeinheiten. In 1 sind einige Komponenten einer Honeinheit 110 dargestellt. Eine Steuereinrichtung 115 steuert Arbeitsbewegungen beweglicher Komponenten der Honmaschine.
Die Honmaschine ist zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken für Brennkraftmaschinen eingerichtet. Ein aktuell zu bearbeitendes Werkstück 120 ist auf einer Werkstückhaltevorrichtung 125 fest aufgespannt. Die Position des Werkstücks auf der Werkstückhaltevorrichtung ist mittels Indexierelementen 126 vorgegeben, so dass ein definierter Bezug zwischen dem Werkstückkoordinatensystem WKS und dem Maschinenkoordinatensystem MKS existiert. Die Werkstückhalteeinrichtung weist einem horizontal verfahrbaren Schlitten 127 auf, der mittels eines über die Steuereinrichtung 115 ansteuerbaren Antriebs 128 parallel zur y-Richtung des Maschinenkoordinatensystems MKS verfahren werden kann.
Das Werkstück ist im Beispielsfall ein Zylinderkurbelgehäuse eines 4-Zylinder-Reihenmotors mit vier achsparallelen Zylinderbohrungen. Die als nächstes zu bearbeitende Bohrung 122 ist zu erkennen, die anderen Bohrungen liegen in x-Richtung versetzt.
Die Honeinheit 110 ist an der Vorderseite einer auf dem Maschinenbett der Honmaschine aufgebauten vertikalen Trägerkonstruktion 105 angebracht. Die Honeinheit umfasst einen Spindelkasten 135, der als Lagerung für die Arbeitsspindel 130 dient, die mit vertikaler Spindelachse 132 im Spindelkasten geführt ist. Die Drehung der Arbeitsspindel um die Spindelachse wird durch einen nicht dargestellten Drehantrieb bewirkt, der am Spindelkasten angebracht ist und z.B. über einen Kettentrieb auf die Arbeitsspindel wirkt. Ein mit dem Spindelkasten konstruktiv verbundener Hubantrieb bewirkt die parallel zur Spindelachse 132 verlaufenden Vertikalbewegungen der Arbeitsspindel beim Einführen des später noch erläuterten Honwerkzeugs 200 in die zu bearbeitende Bohrung bzw. beim Herausziehen des Honwerkzeugs aus dieser Bohrung. Außerdem kann der Hubantrieb während der Honbearbeitung durch die Steuereinrichtung 115 so angesteuert werden, dass das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung des Werkstücks eine vertikale Hin- und Herbewegung entsprechend der gewünschten Honparameter ausführt.
Das Honwerkzeug 200 ist im Beispielsfall starr an das freie Ende der Arbeitsspindel 130 gekoppelt. Zur Herstellung der starren, aber lösbaren Verbindung zwischen Arbeitsspindel und Honwerkzeug kann z.B. eine entsprechend gesicherte Bajonettverbindung, eine Schraubverbindung, eine Flanschverbindung oder eine Kegelverbindung, z.B. mit Hohlschaftkegel (HSK), vorgesehen sein. Weder in der Arbeitsspindel noch im Honwerkzeug ist ein Gelenk vorgesehen. Die zentrale Werkzeugachse 212 des Honwerkzeugs verläuft im unbelasteten Zustand, d.h. in Abwesenheit von auf das Honwerkzeug wirkenden Querkräften, koaxial mit der Spindelachse 132 im Bereich ihrer Lagerung im Spindelkasten.
Die Honeinheit 110 mit der darin enthaltenen vertikalen Arbeitsspindelspindel 130 ist als Ganzes in horizontaler Richtung parallel zur x-Achse des Maschinenkoordinatensystems MKS, also senkrecht zur Spindelachse in einer Querrichtung linear verfahrbar. Dadurch ist es u.a. möglich, ohne Verlagerung des Werkstücks an einem Werkstück zunächst eine erste Bohrung zu bearbeiten, die Arbeitsspindel dann zurückzuziehen, die Honeinheit als Ganzes in einer Querbewegung parallel zur x-Richtung zu verfahren und etwa koaxial zu einer danach zu bearbeitenden zweiten Bohrung zu positionieren, um mit der gleichen Honeinheit die zweite Bohrung zu bearbeiten. Horizontale Querbewegungen in x-Richtung können auch dazu benutzt werden, die Honeinheit zu einem in Linie mit der Querbewegung angeordneten Werkzeugwechsler zu verfahren. Um die horizontale Querbewegung zu ermöglichen, ist der Spindelkasten auf einem horizontal verfahrbaren Schlitten 114 montiert, der auf zwei horizontalen Führungsschienen an der dem Spindelkasten zugewandten Vorderseite der Trägerstruktur 105 linear geführt ist. Die Querbewegung wird durch einen Positionierantrieb 118 bewirkt, der zwischen der Trägerkonstruktion und dem Schlitten 114 angeordnet ist.
Bei der nachfolgend näher beschriebenen Honoperation wird ein Honwerkzeug 200 besonderer Konstruktion verwendet wird, welches in dieser Anmeldung auch als „Ringwerkzeug“ bezeichnet wird (vgl. Auch 2). Das Honwerkzeug hat eine ringförmig am Werkzeugkörper 210 angebrachte Schneidgruppe 220 mit um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern 220-1 bis 220-3, die mittels eines zugeordneten Zustellsystems in Radialrichtung zugestellt beziehungsweise zurückgezogen werden können. Die Schneidstoffkörper sind als Honsegmente gestaltet, deren Breite in Umfangsrichtung deutlich größer ist als ihre Länge in Axialrichtung. Die für den Materialabtrag an Werkstück zuständigen abrasiven Schneidstoffkörper sind in einer axial relativ schmalen Zone (ringförmige Schneidgruppe) konzentriert und nehmen einen relativ großen Anteil des Umfangs des Honwerkzeugs ein.
2 zeigt in 2A einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines Ringwerkzeugs 200 mit einer einzigen ringförmigen Schneidgruppe 220 und einfacher Aufweitung. 2B zeigt einen Querschnitt durch die Schneidguppe Das Ringwerkzeug 200 hat einen Werkzeugkörper 210, der eine Werkzeugachse 212 definiert, die gleichzeitig die Rotationsachse des Ringwerkzeugs während der Honbearbeitung ist. Am spindelseitigen Ende des Ringwerkzeuges (in 2A oben) befindet sich eine nicht näher dargestellte Kupplungsstruktur zum starren Ankoppeln des Ringwerkzeuges an eine Antriebsstange oder eine Arbeitsspindel einer Honmaschine oder einer anderen Bearbeitungsmaschine, welche eine Arbeitsspindel hat, die sowohl um die Spindelachse drehbar als auch parallel zur Spindelachse oszillierend hin- und her bewegbar ist.
Am spindelabgewandten Ende des Werkzeugkörpers (in 2A unten) befindet sich die ringförmige Schneidgruppe 220, die mehrere (im Beispielsfall drei) gleichmäßig über den Umfang des Werkzeugkörpers verteilte Schneidstoffkörper 220-1, 220-2, 220-3 aufweist, welche mithilfe eines Schneidstoffkörper-Zustellsystems radial zur Werkzeugachse 212 nach außen zugestellt werden können, um die abrasiv wirkenden Außenseiten des Schneidstoffköpers, d.h. die Schneidflächen, mit einer definierten Andrückkraft bzw. Anpresskraft an die Innenfläche einer zu bearbeitenden Bohrung anzudrücken. Jeder der drei bogenförmig gekrümmten Schneidstoffkörper ist als ein in Umfangsrichtung sehr breites, in Axialrichtung dagegen schmales Honsegment gestaltet, welches ein Umfangswinkelbereich zwischen 115° und 120° abdeckt. Die Honsegmente sind vom Werkzeugkörper entkoppelt und relativ zu diesem radial zur Werkzeugachse 212 verschiebbar. Der durch die Honsegmente gebildete Ring schließt am spindelabgewandten Seite bündig mit dem Werkzeugkörper ab, so dass der Ring vollständig innerhalb der spindelabgewandten Hälfte des Werkzeugkörpers am spindelabgewandten Ende des Ringwerkzeugs sitzt.
Ein bündiger Abschluss mit dem unteren Ende des Werkzeugkörpers ist günstig, aber nicht zwingend. Im Allgemeinen sollte der Ring im spindelfernen Drittel oder im spindelfernen Viertel des Werkzeugkörpers sitzen, es kann ein geringer Abstand zur Stirnseite des Werkzeugkörpers vorliegen.
Die axiale Länge LHS der Honsegmente liegt bei weniger 15%, insbesondere bei weniger als 10% der Bohrungslänge L. Die Honsegmente sind ca. 4 mm bis 35 mm, insbesondere ca. 10 mm hoch (in Axialrichtung), was im Beispielsfall zwischen 5% und 30%, insbesondere zwischen 10% und 20% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe bei maximal nach innen zurückgezogenen Schneidstoffkörpern entspricht. Das Honwerkzeug hat nur diese eine ringförmige Schneidgruppe. Die axiale Länge LHS entspricht daher gleichzeitig der axialen Länge des gesamten Schneidbereichs des Honwerkzeugs.
Jeder Schneidstoffkörper ist an einer Außenseite einer zugeordneten Tragleiste 224-1, 224-2 aus Stahl durch Löten befestigt. Alternativ kann der Schneidstoffkörper auch durch Kleben oder mittels Schrauben befestigt werden, wodurch eine leichtere Auswechslung möglich ist. Jede Tragleiste hat an ihrer Innenseite eine Schrägfläche, die mit einer konischen Außenfläche eines axial verschiebbaren Zustellkonus 232 in der Weise zusammenwirkt, dass die Tragleisten mit den davon getragenen Schneidstoffkörpern nach radial außen zugestellt werden, wenn der Zustellkonus mittels einer maschinenseitigen Zustellvorrichtung gegen die Kraft von Rückholfedern 234, 226, 228 in Richtung des spindelabgewandten Endes des Ringwerkzeugs gedrückt wird. Bei entgegengesetzter Zustellbewegung werden die Tragleisten mit den Honsegmenten mit Hilfe umlaufender Rückholfedern 226, 228 nach radial innen zurückgeholt. Die radiale Position der Schneidstoffkörper wird dadurch spielfrei über die axiale Position des Zustellkonus 232 gesteuert.
Ein Honsegment kann, wie gezeigt, an seiner Außenseite eine durchgängige, ununterbrochene Schneidfläche haben. Dazu kann der Schneidbelag aus einem einzigen Stück des Schneidmittels bestehen. Es ist auch möglich, dass mehrere (z. B. zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr) jeweils relativ schmale Schneidstoffkörper eng benachbart mit oder ohne gegenseitigen Abstand an der bogenförmig gekrümmten Außenseite eines gemeinsamen Trägerelements angebracht sind. Die Schneidfläche wäre dann unterbrochen, was ggf. für die Kühlschmierstoffversorgung günstig sein kann.
Die Nutzung von relativ breiten Honsegmenten in der ringförmigen Schneidgruppe kann u.a. bei der Bearbeitung von Bohrungen günstig sein, die z.B. zum Zwecke des Gasaustauschs Querbohrungen aufweisen, die an der zu bearbeitenden Bohrungsinnenfläche münden. Breite, in sich starre Honsegmente können den Mündungsbereich überbrücken, so dass das Honwerkzeug nicht „hängenbleiben“ kann. Wenn nur wenige (z.B. drei) breite Honsegmente vorgesehen sind, müssen am Werkzeugkörper auch nur wenige radiale Durchbrechungen vorgesehen sein, so dass sich eine verbesserte mechanische Stabilität ergibt, die gerade bei einer positionskorrigierenden Bearbeitung günstig ist, um Querkräften standzuhalten.
Dieses Maschinen- und Werkzeugkonzept ermöglicht eine positionskorrigierende materialabtragende Bearbeitung der Innenfläche der Bohrung 122, um mittels Honen die Bohrungsposition im Rahmen der Toleranzen in ihre Soll-Position zu bringen.
Eine Ausführungsform eines geeigneten Verfahrens wird anhand von 3 näher erläutert. 3 zeigt hierzu verschiedene Phasen bzw. verschiedene Teiloperationen einer positionskorrigierenden Honoperation. Wie in 1 schematisch gezeigt, befindet sich die Bohrung 122 nach den vorhergehenden Bearbeitungsschritten noch nicht an ihrer gewünschten Soll-Position, welche im Beispielsfall durch die Soll-Position SB der Bohrungsachse repräsentiert ist. Vielmehr zeigt die Bohrung 122 noch einen lateralen Versatz zur Soll-Position, wobei die Ist-Position der Bohrung (charakterisiert durch die aktuelle Bohrungsachse IB) außerhalb der Toleranzen neben der Soll-Position liegt. Außerdem zeigt die Bohrungsinnenfläche noch nicht die für die bestimmungsgemäße Verwendung vorgesehene Oberflächenstruktur, die ebenfalls durch Honen noch zu erzeugen ist.
Zunächst wird in einer Positionierungsoperation das Honwerkzeug relativ zur Bohrung so positioniert, das die Werkzeugachse 212 koaxial zur Soll-Position SP der Bohrung liegt. Hierzu wird bei Bedarf der Werkstückträger 127 parallel zur y-Richtung des Maschinenkoordinatensystems und/oder der Spindelkasten bzw. die Arbeitsspindel parallel zur x-Richtung des Maschinenkoordinatensystems horizontal verfahren. Die durch die Positionierungsoperation eingestellte koaxiale Position ist in 1 und 3A schematisch dargestellt.
Vorher, nachher oder gleichzeitig mit der Positionierung wird die Zustellstange des Schneidstoffkörper-Zustellsystems nach oben bewegt, bis die Schneidstoffkörper ihre maximal nach innen zurückgezogene Position einnehmen, wodurch der Außendurchmesser der ringförmigen Schneidgruppe seinen kleinsten Wert einnimmt. Das Honwerkzeug passt dann beim vertikalen Verfahren ohne Berührung der Bohrungswände in die Bohrung hinein.
Danach wird das Honwerkzeug durch Betätigung des Hubantriebs der Arbeitsspindel in die Bohrung 122 eingeführt und so weit abgesenkt, bis das Honwerkzeug eine Einfuhr-Endposition erreicht, in welcher die ringförmige Schneidgruppe 220 sich in einem eintrittsfernen Endbereich 123 der Bohrung 122 befindet (3B). Der vom Bohrungseintritt 124 entfernt liegende Endbereich definiert das untere Ende bzw. das ferne Ende der insgesamt zu bearbeitenden Länge der Bohrungsinnenseite. Da bei dem gezeigten Ringwerkzeug die Schneidgruppe 220 bündig mit der spindelfernen Stirnseite des Werkzeugkörpers ist, kann das Ringwerkzeug praktisch bis auf Anschlag an den Bohrungsgrund oder, bei Durchgangsbohrungen, bis auf Anschlag an die Oberseite der Werkstückhalterung gefahren werden. In der Praxis wird jedoch in der Regel ein geringer Abstand von wenigen Millimetern, beispielsweise 1 bis 2 mm, eingehalten. Während der Einfuhroperation kann die Arbeitsspindel langsam gedreht werden, dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Wenn sich das Honwerkzeug in der Einfuhr-Endposition befindet, kann die nachfolgende Teiloperation, nämlich eine Expandierungsoperation, beginnen. Bei der Expandierungsoperation (3C) wird das Honwerkzeug um seine Werkzeugachse gedreht und gleichzeitig wird durch Ansteuerung des Schneidstoffkörper-Zustellsystems die Schneidgruppe langsam expandiert, so dass sich der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe allmählich vergrößert. Wenn die Bohrung im eintrittsfernen Endbereich nicht bereits zur Soll-Position der Bohrungsachse zentriert ist und einen kreisförmigen Querschnitt hat, wird in einer bestimmten Phase der Expandierungsoperation zunächst ein einseitiger Materialeingriff, also eine abrasive Bearbeitung im Partialschnitt in demjenigen Bereich der Bohrungsinnenfläche erfolgen, welcher radial am nächsten zur Soll-Position der Bohrungsachse liegt. Mit zunehmendem wirksamen Außendurchmesser der Schneidgruppe geht dann der Partialschnitt allmählich in einen Vollschnitt über, bei welchem über den gesamten Umfang der Schneidgruppe Material abgetragen wird.
Die radiale Zustellung der Schneidstoffkörper nach außen wird solange fortgeführt, bis die Schneidstoffkörper eine vorab definierte erste Radialposition erreichen (3C). Danach wird die weitere Zustellung durch die Steuereinrichtung gestoppt. Durch den Materialabtrag über den Umfang der Schneidgruppe in Verbindung mit der radialen Zustellung wird bei der Expandierungsoperation durch materialabtragenden Eingriff von Schneidstoffkörpern an der Innenseite der Bohrung in dem Endbereich 123 der Bohrung eine zylindrische Erweiterung 121 erzeugt, die in der Regel im Rahmen der Toleranzen exakt zur Soll-Position der Bohrungsachse zentriert ist. Bei einer nicht exakt positionierten Bohrung wird die zylindrische Erweiterung zur aktuellen Bohrungsachse noch dezentriert liegen. Das Übermaß der Erweiterung gegenüber dem zum Bohrungseintritt anschließenden Bohrungsabschnitt liegt in der Regel bei mindestens 100 µm bezogen auf den Durchmesser. Meist liegen die Werte höher, z.B. bei 200 µm oder mehr oder bei 400 µm oder mehr.
Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass bei der Expandierungsoperation Drehzahlen des Honwerkzeugs im Bereich von 400 min^–1 bis 1000 min^–1 in der Regel gute Ergebnisse bringen. In einem Fall wurde mit ca. 500 min^–1 unter Verwendung von Öl als Kühlschmierstoff gearbeitet.
Bei einer Verfahrensvariante bleibt das Honwerkzeug während der Expandierungsoperation an der eingestellten Axialposition, so dass keine Hubbewegung überlagert wird. Bei anderen Verfahrensvarianten wird während der Expandierungsoperation mindestens phasenweise der Hubantrieb der Arbeitsspindel betätigt, um der Drehbewegung des Honwerkzeugs beim radialen Expandieren eine axial kurzhubige Oszillationsbewegung zu überlagern. Dadurch sind gegebenenfalls günstigere Materialabtragsbedingungen erzielbar. Die axiale Länge der erzeugten zylindrischen Erweiterung würde dann etwas größer ausfallen als bei lediglich radialer Expansion ohne überlagerte Hubbewegung.
Bei einer Verfahrensvariante wird nach Abschluss der Expandierungsoperation, d.h. dann, wenn die Schneidstoffkörper die erste Radialposition erreicht haben, das Honwerkzeug in einer Entlastungsoperation dadurch entlastet, das die Schneidstoffkörper um einen bestimmten Rückstellbetrag von beispielsweise 10 bis 15 µm in eine zweite Radialposition zurückgestellt werden. Dadurch wird der Berührungskontakt zwischen der Außenfläche der Honsegmente und der Bohrungsinnenwand aufgehoben, so dass sich das Honwerkzeug gegebenenfalls unter Einwirkung elastischer Kräfte aus der Arbeitsspindel noch besser in Bezug auf die Spindelachse zentrieren kann. Dieser Schritt kann auch entfallen.
Nach Abschluss der Expandierungsoperation und ggf. nach der Entlastungsoperation wird eine Zugoperation (3D) eingeleitet, bei der das drehend angetriebene Honwerkzeug mit geeigneter Hubgeschwindigkeit langsam aus der Bohrung in Richtung Bohrungseintritt herausgezogen wird. Dadurch entsteht ausgehend vom Bohrungsgrund eine allmähliche Verlängerung der zur Soll-Position der Bohrungsachse zentrierten zylindrischen Erweiterung, so dass die Bohrung sozusagen vom Bohrungsgrund ausgehend ihre zur Soll-Position der Bohrungsachse zentrierte, kreiszylindrische Bohrungsform erhält. Nach vollständigem Herausziehen des Honwerkzeugs aus der Bohrung (3E) ist die Bohrung auf voller Länge bezüglich der Soll-Position der Bohrungsachse zentriert. Auch die Winkligkeit der Bohrung ist richtig eingestellt, so dass die Bohrungsachse z.B. senkrecht zur Deckfläche orientiert ist.
Für die Teiloperation des Herausziehens des Honwerkzeugs (bei gleichzeitiger axialer Vergrößerung der zylindrischen Erweiterung) liegen die Hubgeschwindigkeiten typischerweise im Bereich zwischen 0.3 m/s und 0.7 m/s, sie können jedoch auch kleiner sein, beispielsweise bis hinunter zu 0.1 m/s, oder aber größer, bis über 1 m/s, beispielsweise bis zu ca. 2 m/s.
In manchen Fällen kann es ausreichen, diese Honoperationen (inklusive Einführen des Honwerkzeugs, Expandieren zur Erzeugung einer zylindrischen Erweiterung, Herausziehen) nur ein einziges Mal durchzuführen. Es ist jedoch auch möglich, diese Arbeitsschritte einmal oder mehrfach zu wiederholen, was insbesondere dann günstig sein kann, wenn vor der ersten Bearbeitung der Positionsfehler der Bohrung relativ hoch ist und/oder wenn es gewünscht ist, bei der Zugoperation jeweils nur einen geringeren Materialabtrag als den endgültig erforderlichen zu erzeugen.
Nach der positionskorrigierenden Honoperation können sich weitere Bearbeitungsoperationen anschließen. Bei manchen Verfahrensvarianten wird anschließend mindestens eine weitere Honoperation mithilfe eines konventionellen aufweitbaren Honwerkzeugs 300 durchgeführt, welches einfach oder mehrfach gelenkig an die Arbeitsspindel angekoppelt ist und relativ lange Honleisten 320 hat, deren Länge z.B. mehr als 30% der Länge der Bohrung betragen kann (3F). Hierdurch können eventuell noch vorhandene Zylinderformfehler und/oder andere Formfehler noch korrigiert werden.
Das Verfahren kann, wie dargestellt, mit vertikaler Axialrichtung durchgeführt werden. Auch eine Horizontalbearbeitung ist möglich. Die Bohrung kann, wie dargestellt, unbeschichtet sein, so dass direkt das Grundmaterial des Werkstücks abgetragen wird. Eine Bearbeitung von beschichteten Bohrungen ist ebenfalls möglich, wobei dann das Material der Beschichtung abgetragen würde.
Ein Ringwerkzeug kann ggf. zusätzlich zu dem spindelfernen Ring einen separat zustellbaren weiteren Ring mit Schneidstoffkörpern haben.
Es ist gegebenenfalls auch möglich, für ein ähnliches Material abtragendes, positionskorrigierendes Feinbearbeitungsverfahren anstelle eines zum Honen konfigurierten Ringwerkzeugs ein Feinbohrwerkzeug zu verwenden, das mindestens ein am spindelfernen Ende endseitig angebrachtes aussteuerbares Schneidelement mit geometrisch bestimmter Schneide (anstelle einer ringförmigen Schneidgruppe mit geometrisch unbestimmten Schneiden) aufweist. Gegebenenfalls kann mindestens ein Paar einander diametral gegenüberliegender aussteuerbarer Schneidelemente vorhanden sein. Die Verfahrensschritte: Einführen des Feinbohrwerkzeugs, Expandieren bzw. Herausfahren des Schneidelements bei gleichzeitiger Drehung zur Erzeugung einer zylindrischen Erweiterung, Herausziehen mit herausgefahrenem Schneidelement bei gleichzeitiger Drehung könnten analog zum beschriebenen Vorgehen durchgeführt werden.
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

DE 10348419 C5 [0006]
DE 102010010901 A1 [0008]

Claims

Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung (122) in einem Werkstück (120) mittels mindestens einer Honoperation, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, wobei bei einer Honoperation ein aufweitbares Honwerkzeug (200) verwendet wird, welches in einem spindelfernen Endbereich eines Werkzeugkörpers eine aufweitbare ringförmige Schneidgruppe (220) mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern aufweist, deren axiale Länge kleiner als der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Starres Ankoppeln des Honwerkzeugs an eine Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine; Relative Positionierung des Honwerkzeugs und der Bohrung so, dass eine Werkzeugachse (212) des Honwerkzeugs koaxial mit einer Soll-Position (SB) der Bohrungsachse der Bohrung ist; Einführen des Honwerkzeugs in die Bohrung mit zurückgezogenen Schneidstoffkörpern bis in eine Einfuhr-Endposition, in welcher sich die Schneidgruppe in einem eintrittsfernen Endbereich (123) der zu bearbeitenden Länge der Bohrung befindet; Drehen des Honwerkzeugs und gleichzeitiges Expandieren der Schneidgruppe an oder im Bereich der Einfuhr-Endposition bis in eine erste Radialposition der Schneidstoffkörper derart, dass durch materialabtragenden Eingriff von Schneidstoffkörpern an der Innenseite der Bohrung im Endbereich der Bohrung eine im Wesentlichen zu der Soll-Position der Bohrungsachse zentrierte zylindrische Erweiterung (121) der Bohrung erzeugt wird; Herausziehen des Honwerkzeugs aus der Bohrung bei gleichzeitiger Drehung des Honwerkzeugs derart, dass die Bohrung ausgehend von der zylindrischen Erweiterung sukzessive in Richtung der Eintrittsseite erweitert wird.
Honverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, das mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: (i) an der ringförmigen Schneidgruppe (220) sind mehr als 60% des Umfangs mit Schneidmittel belegt, insbesondere mehr als 70% oder mehr als 80% des Umfangs der Schneidgruppe; (ii) die axiale Länge (LHS) der Schneidstoffkörper liegt bei weniger als 30% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe, insbesondere zwischen 10% und 20% dieses Außendurchmessers; (iii) die axiale Länge (LHS) der Schneidstoffkörper liegt im Bereich von 5 mm bis 20 mm; (iv) die axiale Länge (LHS) der Schneidstoffkörper beträgt weniger als 10% der Bohrungslänge der Bohrung.
Honverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidstoffkörper als in Umfangsrichtung breite und in Axialrichtung schmale Honsegmente (220-1, 220-2, 220-3) gestaltet sind, wobei eine in Axialrichtung gemessene axiale Länge der Honsegmente kleiner als die in Umfangsrichtung gemessene Breite ist.
Honverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidgruppe mindestens drei Honsegmente (220-1, 220-2, 220-3) aufweist, wobei vorzugsweise drei, vier, fünf oder sechs Honsegmente gleicher oder unterschiedlicher Umfangsbreite vorgesehen sind.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, bei dem die Schneidstoffkörper eine keilförmige Schneidfläche bilden, wobei eine Umfangsbreite der Schneidfläche an einer spindelnahen Seite breiter ist als an einer spindelfernen Seite.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, bei dem die Schneidstoffkörper Schneidkörner mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 50 µm bis 250 µm aufweisen.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidstoffkörper beim Expandieren der Schneidgruppe (220) radial zugestellt werden.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung (121) so erzeugt wird, dass ein Durchmesserunterschied zwischen der Erweiterung und einem anschließenden, nicht erweiterten Bohrungsabschnitt mindestens 100 µm beträgt, insbesondere 200 µm oder mehr.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erzeugung der zylindrischen Erweiterung (121) vor Beginn des Herausziehens eine Entlastungsoperation zur Entlastung des Honwerkzeugs durchgeführt wird.
Honverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Entlastungsoperation die Schneidstoffkörper ausgehend von der ersten Radialposition um einen Rückstellbetrag in eine zweite Radialposition zurückgestellt werden, wobei der Rückstellbetrag vorzugsweise zwischen 10 µm und 15 µm liegt.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Herausziehen des Honwerkzeugs mit einer Hubgeschwindigkeit im Bereich von 0.1 m/s bis zu 2 m/s erfolgt, insbesondere im Bereich von 0.3 m/s bis 0,7 m/s
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Expandieren der Schneidgruppe zur Erzeugung der Erweiterung (121) der Drehung des Honwerkzeug mindestens phasenweise eine kurzhubige axiale Oszillationsbewegung überlagert wird, wobei ein axialer Hub vorzugsweise im Bereich von 2 mm bis 3 mm liegt.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der positionskorrigierenden Honperation folgenden weiteren Honoperation ein aufweitbares Honwerkzeug (300) mit Honleisten (320) verwendet wird, deren axiale Länge größer als deren Breite in Umfangsrichtung ist, wobei die axiale Länge vorzugsweise mehr als 30% der Länge der Bohrung beträgt.