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ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung betrifft ein Honwerkzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Honverfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen.
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Die Zylinderlaufflächen in Zylinderblöcken (Zylinderkurbelgehäusen) oder Zylinderlaufbuchsen von Brennkraftmaschinen oder anderen Hubkolbenmaschinen sind im Betrieb einer starken tribologischen Beanspruchung ausgesetzt. Daher kommt es bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen darauf an, diese Zylinderlaufflächen so zu bearbeiten, dass später bei allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierung durch einen Schmiermittelfilm gewährleistet ist und der Reibwiderstand zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen möglichst gering gehalten wird.
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Die qualitätsbestimmende Endbearbeitung solcher tribologisch beanspruchbarer Innenflächen erfolgt in der Regel mit geeigneten Honverfahren, die typischer Weise mehrere aufeinanderfolgende Honoperationen umfassen. Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Bei einer Honoperation wird ein aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der zu bearbeitenden Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung mit einer Hubfrequenz auf und ab bzw. hin- und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung mit einer Umdrehungsfrequenz gedreht. Die am Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper werden über ein Schneidstoffkörper-Zustellsystem mit einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft an die zu bearbeitende Innenfläche angedrückt. Beim Honen entsteht in der Regel an der Innenfläche ein für die Honbearbeitung typisches Kreuzschliffmuster mit sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren, die auch als „Honriefen“ bezeichnet werden.
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Mit steigenden Anforderungen an die Sparsamkeit und Umweltfreundlichkeit von Motoren ist die Optimierung des tribologischen Systems Kolben/Kolbenringe/Zylinderlauffläche von besonderer Bedeutung, um geringe Reibung, geringen Verschleiß und geringen Ölverbrauch zu erreichen. Der Reibungsanteil der Kolbengruppe kann bis zu 35% betragen, so dass Reibungsreduzierung in diesem Bereich wünschenswert ist.
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Es werden unterschiedliche Ansätze verfolgt, um die mechanischen Verluste eines Motors zu reduzieren. Hierzu gehören u.a. die Nutzung thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen, die Verwendung beschichteter Kolbenringe, die Entwicklung besonders optimierter Honoberflächen etc..
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Eine Technologie, die für die Reduzierung der Reibung und des Verschleißes immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die Vermeidung bzw. Reduzierung von Zylinderverzügen bzw. Deformationen des Motorblocks (Zylinderkurbelgehäuses) bei der Montage und/oder im Betrieb. Nach einer konventionellen Honbearbeitung soll eine Zylinderbohrung typischerweise eine Bohrungsform haben, die möglichst wenig, z.B. maximal wenige Mikrometer, von einer idealen Kreiszylinderform abweicht. Während der Montage oder des Betriebs des Motors kann es jedoch zu deutlichen Formfehlern kommen, die bis zu mehreren Hundertsteln Millimeter betragen und die Performance des Motors verringern können. Die Ursachen von Verzügen bzw. Deformationen sind unterschiedlich. Es kann sich um statische oder quasi statische thermische und/oder mechanische Belastungen handeln oder um dynamische Belastungen. Auch die Konstruktion und das Design von Zylinderblöcken haben Einfluss auf die Neigung zu Deformationen. Die Dichtfunktion des Kolbenringpakets wird durch solche schwer kontrollierbaren Deformationen typischerweise verschlechtert, wodurch sich Blow-by, Ölverbrauch und auch Reibung erhöhen können.
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Um Probleme aufgrund von Verzügen bei der Montage oder in bestimmten Betriebszuständen zu verringern, wurde beispielsweise in der
DE 28 10 322 C2 vorgeschlagen, den Motorblock für die Honbearbeitung mit Hilfe einer Spanneinrichtung derart zu deformieren, dass die spätere Deformation durch den Zylinderkopf simuliert wird. In dem verspannten Zustand, der dem später nach der Montage vorliegenden Zustand entspricht, findet die Honbearbeitung zur Erzeugung einer kreiszylindrischen Bohrungsform statt, die sich dann auch nach der Montage wieder einstellen sollte.
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Eine andere Technologie, welche durch eine Invertierung der Zylinderverzüge (Erzeugung einer Negativform des Fehlers) bei der Bearbeitung die Entstehung einer Idealform nach der Montage oder im Betriebszustand des Motors gewährleisten oder annähern soll, ist das sogenannte Formhonen. Dabei wird am unverspannten Werkstück mittels Honen eine von der Kreiszylinderform definiert abweichende Bohrungsform erzeugt, z.B. eine Kleeblattform. Solche Bohrungsformen sind in der Regel unsymmetrisch, weil auch die Deformationen der Zylinderblocks in der Regel nicht symmetrisch sind. Im Betriebszustand soll sich dabei eine möglichst ideale Kreiszylinderform ergeben, so dass das Kolbenringpaket über den gesamten Bohrungsumfang gut abdichten kann. Verschiedene Varianten des Formhonens werden beispielsweise in der
EP 1 790 435 B1 und in dem darin genannten Stand der Technik beschrieben.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, rotationssymmetrische Bohrungsformen zu erzeugen, die Bohrungsabschnitte unterschiedlicher Durchmesser aufweisen. Die entsprechenden Honverfahren werden gelegentlich als „Konturhonen“ bezeichnet. Dabei können z.B. Bohrungen mit Flaschenform, Konusform oder Tonnenform bearbeitet und/oder erzeugt werden.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Honwerkzeug und ein unter Verwendung des Honwerkzeugs durchführbares Honverfahren bereitzustellen, die es erlauben, Hubkolbenmaschinen herzustellen, die verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Reibungsverlusten, Ölverbrauch und Blow-by haben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Honwerkzeug mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird ein Honverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Das Honwerkzeug hat eine ringförmige Schneidgruppe, und zwar vorzugsweise genau eine einzige ringförmige Schneidgruppe. 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.
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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 20% oder weniger als 10% dieser Bohrungslänge liegen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Schneidstoffkörper als in Umfangsrichtung breite und in Axialrichtung schmale Honsegmente gestaltet sind, wobei eine in Axialrichtung gemessene axiale Länge der Honsegmente kleiner als eine 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.
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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.
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Die axial schmale Gestaltung der Schneidgruppe, also ihre relativ zum Außendurchmesser kurze axiale Ausdehnung, kann auch dazu beitragen, dass bei relativ geringen Andruckkräften 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.
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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 praktisch konstant bleiben. Durch Vermeidung von Schneidstoffkörper-Verkippung während der radialen Zustellung kann ein ungleichmäßiger Abtrag in der Bohrung vermieden werden.
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Bei manchen Ausführungsformen sind die Schneidstoffkörper in Bezug auf den Werkzeugkörper elastisch nachgiebig gelagert. Dadurch kann ggf. die Fähigkeit zur Konturverfolgung bei Axialbewegung verbessert werden. Beispielsweise können zwischen den Trägerelementen und den Schneidstoffkörpern Federelemente (z.B. Blattfedern, Spiraldruckfedern der dergleichen) zwischengeschaltet sein. Es ist auch möglich, die Trägerelemente in sich elastisch nachgiebig zu gestalten, z.B. indem an geeigneten Stellen Schwächungen des Trägermaterialquerschnitts in Form von Schlitzen oder dergleichen konstruktiv vorgesehen sind.
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Die erheblichen Vorteile der axial schmalen Gestalt der ringförmigen Schneidgruppe können besonders gut genutzt werden, wenn das Honwerkzeug so konstruiert ist, dass bei Bedarf der Gefahr einer Verkippung des Honwerkzeugs in der Bohrung entgegengewirkt werden kann. Hierzu hat das Honwerkzeug eine aufweitbare Führungsgruppe mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Führungsleisten, die – in Axialrichtung betrachtet – teilweise oder vollständig zwischen der ringförmige Schneidgruppe und einer spindelseitigen Kupplungsstruktur des Honwerkzeugs am Werkzeugkörper angeordnet und mittels eines Führungsgruppen-Zustellsystems unabhängig von den Schneidstoffkörpern radial zustellbar sind. Mithilfe der bei Bedarf zustellbaren Führungsleisten kann sich das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung in einem geeigneten kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt so abstützen, dass die axiale Bewegung des Honwerkzeugs innerhalb der Bohrung geführt wird.
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Vorzugsweise ist eine axiale Länge der Führungsleisten mehr als doppelt so groß wie die axiale Länge der Schneidgruppe. Meist ist es günstig, wenn die axiale Länge der Führungsleisten mindestens viermal so groß ist wie die axiale Länge der Schneidgruppe. Insbesondere kann ein Längenverhältnis zwischen der axialen Länge der Führungsleisten und der axialen Länge der Schneidgruppe im Bereich von 5 bis 20 liegen. Eine große Führungslänge verbessert die Führungseigenschaften beim axialen Hub und sorgt für relativ geringen Flächendruck im Bereich der Führungsleisten, so dass die Bohrungsoberfläche geschont werden kann.
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Die Führungsleisten können mit axialem Abstand zur Schneidgruppe angeordnet sein oder in Axialrichtung gesehen an diese anschließen. Dann sind der von der Schneidgruppe definierte Schneidbereich und der durch die Führungsleisten definierte Führungsbereich in Axialrichtung voneinander separiert. Es ist auch möglich, dass die Führungsleisten mit einem spindelfernen Abschnitt in den axialen Bereich der ringförmigen Schneidgruppe hineinragen und dort mit diesem Abschnitt in Umfangsrichtung gesehen zwischen Schneidstoffkörpern der ringförmigen Schneidgruppe angeordnet sind. In diesem Fall überlappen sich der Führungsbereich und der Schneidbereich, ggf. so weit, dass die Schneidgruppe vollständig innerhalb des Führungsbereichs liegt.
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Um Anpressdruckspitzen zu vermeiden, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Führungsleisten in Umfangsrichtung eine Breite von mindestens 3 mm haben. Die Umfangsbreite kann z.B. zwischen 3 mm und 20 mm liegen und/oder im Bereich von 10% bis 40% des wirksamen Umfangs im Bereich der Führungsleisten, ggf. auch bei weniger als 10% dieses Umfangs.
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Die Anzahl von Führungsleisten kann der Bearbeitungsaufgabe angepasst sein, sie kann gerade oder ungerade sein. Vorzugsweise sind drei, vier, fünf oder sechs Führungsleisten vorgesehen, die vorzugsweise gleichmäßig um den Umfang verteilt sind, um allseitige gleichmäßige Führung zu erreichen.
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Obwohl die Außenseite der Führungsleisten z.B. mit feinkörnigen Schneidkörnern, z.B. Diamantschneidkörnern, belegt sein kann, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Führungsleisten als nicht-schneidende Führungsleisten ausgebildet sind. In diesem Fall können sie trotz Berührungskontakt mit der Bohrungsinnenfläche die Form bzw. den Durchmesser nicht verändern und die Oberflächenstruktur kann weitgehend erhalten bleiben. Insbesondere wenn die Führungsleisten mindestens im Bereich einer der Innenseite der Bohrung zuzuwendenden Außenfläche aus einen Material bestehen, das aus der Gruppe: Polykristalliner Diamant (PKO), Monokristalliner Diamant (MKO), Siliziuminfiltrierter Diamant (SCO), Hartmetall und Hart-Kunststoff, ausgewählt ist, ist eine bohrungsschonende Führung bei sehr langer Lebensdauer möglich.
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Das Honwerkzeug kann für unterschiedliche Honverfahren verwendet werden, auch zur Bearbeitung von Bohrungen mit Kreiszylinderform. Bei einer Variante eines Honverfahren wird eine von der Kreiszylinderform abweichende Bohrungsform erzeugt, die anschließend an einen Bohrungseintritt einen kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitt mit einem ersten Durchmesser und entfernt von dem Bohrungseintritt einen zweiten Bohrungsabschnitt aufweist, der mindestens abschnittsweise einen zweiten Durchmesser aufweist, welcher größer als der erste Durchmesser ist. Die Bohrung erweitert sich also in Richtung des der Eintrittsseite gegenüber liegenden Bohrungsendes und hat an der Eintrittsseite einen etwas engeren „Hals“. Der (im Durchmesser größere) zweite Bohrungsabschnitt kann ebenfalls kreiszylindrisch sein und koaxial zum ersten Bohrungsabschnitt liegen, so dass die Bohrung insgesamt rotationssymmetrisch ist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Bohrungsabschnitt kann einen Übergangsabschnitt mit einem kontinuierlichen Übergang vom ersten zum zweiten Durchmesser liegen, so dass sich eine Flaschenform ergibt. Auch andere Konturen sind möglich, z.B. eine Konusform im zweiten Bohrungsabschnitt.
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Hier kann das Honwerkzeug mit besonderem Vorteil verwendet werden, indem in mindestens einer Bearbeitungsphase der zweite Bohrungsabschnitt mittels der ringförmigen Schneidgruppe bearbeitet wird und gleichzeitig die Führungsleisten an die Innenfläche der Bohrung im ersten Bohrungsabschnitt derart angelegt werden, dass eine axiale Bewegung des Honwerkzeug durch die Führungsleisten in dem ersten Bohrungsabschnitt gegen Verkippung gesichert geführt wird. Trotz der geringen axialen Abmessungen der Schneidstöffkörper und/oder einer ggf. vorhandenen Labilität der Geometrie der zu honenden Bauteile ist dadurch eine reine Axialbewegung (ohne Kippanteile) sichergestellt, wodurch systematisch Oberflächen mit hoher Güte erzielt werden können. Das Honwerkzeug kann dauerhaft oder phasenweise auch mit zurückgezogenen Führungsleisten genutzt werden, so dass nur die Schneidstoffkörper der ringförmigen Schneidgruppe in Eingriff bzw. in Berührungskontakt mit der Bohrungsinnenwand stehen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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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:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine solche flaschenförmige Bohrung in einem Werkstück in Form eines Motorblocks für eine Brennkraftmaschine;
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2 ein Ausführungsbeispiel eines Honwerkzeugs, wobei 2A eine Längsschnitt und 2B eine axiale Ansicht des Honwerkzeugs von der Seite der spindelseitigen Kupplungsstruktur zeigt;
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3 eine Bearbeitungssituation, in welcher eine flaschenförmige Bohrung mittels eines Honwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform bearbeitet wird;
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4 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Honwerkzeugs, wobei 4A eine Längsschnitt und 4B eine axiale Ansicht des Honwerkzeugs von der Seite der spindelseitigen Kupplungsstruktur zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele von Honverfahren und Honwerkzeugen beschrieben, die im Rahmen von Ausführungsformen der Erfindung bei der materialabtragenden Bearbeitung von Werkstücken verwendet werden können, die eine oder mehrere Bohrungen aufweisen, welche im fertig bearbeiteten Zustand die Makroform einer Flasche haben sollen.
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1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine solche flaschenförmige Bohrung 110 in einem Werkstück 100 in Form eines Motorblocks (Zylinderkurbelgehäuses) für eine Brennkraftmaschine. Die Bohrung ist in Bezug auf ihre Bohrungsachse 112 rotationssymmetrisch und erstreckt sich über eine Bohrungslänge L von einem im Einbauzustand dem Zylinderkopf zugewandten Bohrungseintritt 114 bis zum Bohrungsaustritt 116 an gegenüberliegenden Ende. Die Bohrung kann in drei aneinander angrenzende Abschnitte unterschiedlicher Funktion unterteilt werden, die gleitend, d.h. ohne Bildung von Stufen oder Kanten, ineinander übergehen.
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Ein erster Bohrungsabschnitt 120 am eintrittsseitigen Ende hat einen ersten Durchmesser D1 und eine erste Länge L1. Am gegenüberliegenden austrittsseitigen Ende erstreckt sich über eine zweite Länge L2 ein zweiter Bohrungsabschnitt 130, dessen Innendurchmesser (zweiter Durchmesser) D2 größer als der erste Durchmesser D1 ist. Zwischen dem ersten Bohrungsabschnitt 120 und dem zweiten Bohrungsabschnitt 130 befindet sich ein teilweise konischer Übergangsabschnitt 140, in dem ein kontinuierlicher Übergang vom ersten Durchmesser zum zweiten Durchmesser erfolgt. Zwischen dem mittleren, im Wesentlichen konischen Teil des Übergangsabschnitts und dem ersten Bohrungsabschnitt wird ein erster Radius R1 gebildet, während zwischen dem Übergangsabschnitt und dem zweiten Bohrungsabschnitt ein zweiter Radius R2 gebildet wird. Die Radien R1 und R2 können im Wesentlichen gleich sein, es ist jedoch auch möglich, dass der erste Radius kleiner oder größer als der zweite Radius ist.
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Bei typischen Bohrungsgeometrien kann die erste Länge L1 beispielsweise zwischen 10% und 60% der Bohrungslänge L betragen. Die zweite Länge L2 ist typischerweise größer als die erste Länge und liegt häufig zwischen 30% und 80% der Bohrungslänge L. Der Übergangsabschnitt ist gegenüber den daran angrenzenden Bohrungsabschnitten normalerweise relativ kurz. Typische dritte Längen L3 können im Bereich von 5% bis 20% der Bohrungslänge L liegen. Auch Abweichungen von diesen geometrischen Verhältnissen sind möglich.
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Der Durchmesserunterschied zwischen dem ersten Durchmesser D1 und dem zweiten Durchmesser D2 liegt deutlich außerhalb der für die Honbearbeitung typischen Toleranzen, die für eine Zylinderform in der Größenordnung von maximal 10 µm (bezogen auf den Durchmesser) liegen. Bei einem Absolutwert des Innendurchmessers in der Größenordnung zwischen 70 mm und 150 mm kann der Durchmesserunterschied beispielsweise zwischen 20 µm und 90 µm liegen.
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Die Radien R1, R2, die Längen der äußeren Bohrungsabschnitte und des Übergangsabschnitts und der Tangentenwinkel T zwischen der Bohrungsachse und einer Tangente an den Übergangsabschnitt können so optimiert sein, dass sich in typischen Betriebszuständen des Motors geringer Blow-by, geringer Ölverbrauch und geringer Verschleiß der Kolbenringe ergeben.
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Die Flaschenform der Bohrung führt dazu, dass die Bohrung im eintrittsnahen Bereich vergleichsweise eng ist, so dass die Kolbenringe des in der Bohrung laufenden Kolbens unter hoher Ringspannung an die Bohrungsinnenfläche 118 gedrückt werden. Dadurch wird dort, wo die Verbrennung hauptsächlich erfolgt und hohe Drücke auftreten, eine zuverlässige Abdichtung erreicht und der Ölfilm wird im Abwärtshub abgestreift. Der durch die Verbrennung beschleunigte Kolben bewegt sich dann Richtung Bohrungsaustritt, wobei die Kolbenringe zunächst den Übergangsabschnitt mit dem sich kontinuierlich erweiterten Innendurchmesser und anschließend den zweiten Bohrungsabschnitt (teilweise) durchlaufen. Im Übergangsabschnitt können sich die Kolbenringe allmählich entspannen, wobei die Abdichtung ausreichend bleibt, weil die Druckdifferenz an den Kolbenringen sinkt. Zu Beginn des zweiten Bohrungsabschnitts erreicht das Ringpaket seine niedrigste Spannung, so dass gerade im Bereich maximale Kolbengeschwindigkeit Reibungsverluste durch verringerte Ringspannung reduziert werden. Beim Aufwärtshub nimmt die Ringspannung dann wieder zu, sobald die Kolbenringe den austrittsseitigen Radius des Übergangsabschnitts erreichen und diesen in Richtung des ersten Bohrungsabschnitts durchlaufen.
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Ein Feinbearbeitungsprozess, der eine solche Bohrung sowohl hinsichtlich der Makroform (Flaschenform) als auch hinsichtlich der Oberflächenstruktur der tribologisch beanspruchten Bohrungsinnenfläche in hoher Qualität wirtschaftlich erzeugen kann, umfasst bei Ausführungsformen der Erfindung mindestens eine Honoperation, bei welcher ein Honwerkzeug besonderer Konstruktion verwendet wird, welches in dieser Anmeldung auch als „Ringwerkzeug mit Führungsleisten“ bezeichnet wird. Ein Ausführungsbeispiel ist in 2 gezeigt. Dabei zeigt 2A eine Längsschnitt und 2B eine axiale Ansicht des Honwerkzeugs von der Seite der (in der Figur nicht dargestellten) spindelseitigen Kupplungsstruktur.
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Das Honwerkzeug hat eine ringförmig am Werkzeugkörper angebrachte Schneidgruppe mit um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern, die mittels eines zugeordneten Schneidstoffkörper-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 Schneidstoffkörper sind in einer axial relativ schmalen Zone (einem Ring der Schneidgruppe) konzentriert und nehmen einen relativ großen Anteil des Umfangs des Honwerkzeugs ein. Dadurch können mit relativ hoher Materialabtragsleistung Bohrungsformen erzeugt werden, bei denen in Axialrichtung Bohrungsabschnitte unterschiedlicher Durchmesser aneinander angrenzen.
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Das Honwerkzeug 200 hat eine einzige ringförmige Schneidgruppe 220 und eine zwischen dieser und der spindelseitigen Kupplungsstruktur angeordnete Führungsgruppe 300. Das Honwerkzeug 200 hat einen Werkzeugkörper 210, der eine Werkzeugachse 212 definiert, die gleichzeitig die Rotationsachse des Honwerkzeugs während der Honbearbeitung ist. Am spindelseitigen Ende des Honwerkzeuges (in 2A oben) befindet sich eine nicht näher dargestellte Kupplungsstruktur zum Ankoppeln des Honwerkzeuges an eine Antriebsstange 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.
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Das Honwerkzeug wird gelenkig an die Honspindel angekoppelt, um eine begrenzte Beweglichkeit des Honwerkzeugs gegenüber der Honspindel zuzulassen. Hierzu ist am spindelseitigen Ende des Honwerkzeugs ein mehrachsiges Gelenk ausgebildet, z.B. ein kardanisches Gelenk oder ein Kugelgelenk (vgl. 3 oder 4).
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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 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 90° und 110° abdeckt. Die Honsegmente sind vom Werkzeugkörper entkoppelt und relativ zu diesem radial zur Werkzeugachse 212 verschiebbar. Der durch die Honsegmente gebildete Ring schließt an der spindelabgewandten Seite fast bündig oder bündig mit dem Werkzeugkörper ab. Der Ring sitzt vollständig innerhalb der spindelabgewandten Viertels des Werkzeugkörpers am spindelabgewandten Ende des Ringwerkzeugs. Die axiale Länge der Schneidstoffkörper definiert hier die axiale Länge des Schneidbereichs.
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Die axiale Länge LHS der Honsegmente liegt bei weniger als 20%, insbesondere bei weniger als 10% der Bohrungslänge. Die Honsegmente sind ca. 5 mm bis 30 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 vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern) entspricht. Die axiale Länge LHS entspricht hier gleichzeitig der axialen Länge des gesamten Schneidbereichs des Honwerkzeugs.
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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, rohrförmigen bzw. innen hohlen 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 (nicht dargestellten) Rückholfedern in Richtung des spindelabgewandten Endes des Ringwerkzeugs gedrückt wird. Bei entgegengesetzter Zustellbewegung werden die Tragleisten mit den Honsegmenten mit Hilfe umlaufender Rückholfedern nach radial innen zurückgeholt. Die radiale Position der Schneidstoffkörper wird dadurch spielfrei über die axiale Position des Zustellkonus 232 gesteuert.
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Die Führungsgruppe 300 hat drei identische Führungsleisten 320-1, 320-2, 320-3, die mit einem Umfangswinkelabstand von 120° gleichmäßig über den Umfang des Werkzeugkörpers verteilt sind. Jede Führungsleiste sitzt mit geringem axialen Abstand mittig oberhalb eines darunterliegenden Honsegments. Die Führungsleisten können aber auch an anderer Stelle, z.B. oberhalb der Übergänge zwischen benachbarten Honsegmenten sitzen. Es können auch mehr als drei Führungsleisten vorgesehen sein, beispielsweise vier oder sechs. Die axiale Länge der Führungsleisten definiert hier die axiale Länge des Führungsbereichs, der hier mit axialem Abstand zum Schneidbereich liegt und nicht mit diesem überlappt.
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Eine andere Variante kann zusätzlich zu radial zustellbaren Führungsleisten auch noch feste Messleisten aufweisen, die Komponenten eines Durchmesser-Messsystems tragen, z.B. Messdüsen eines pneumatischen Messsystems (vgl. 4).
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Die Führungsleisten der radial aufweitbaren Führungsgruppe 300 können unabhängig von den Schneidstoffkörpern der radial aufweitbaren ringförmigen Schneidgruppe radial zugestellt werden. Hierzu ist jede Führungsleiste auf einem Führungsleisten-Tragkörper 324-2 etc. befestigt, der an seiner radialen Innenseite zwei mit axialem Abstand übereinander angeordnete Schrägflächen hat, die mit entsprechenden Schrägflächen eines axial verschiebbaren Zustellkonus 332 eines Führungsgruppen-Zustellsystems nach Art eines Keilantriebs zusammenwirken, so dass eine axiale Verschiebung des Zustellkonus 332 zum spindelfernen Ende eine radiale Verschiebung der Führungsleisten nach außen bewirkt (und umgekehrt). Der Zustellkonus 332 des Führungsgruppen-Zustellsystems sitzt radial spielfrei, aber axial beweglich im Innern des rohrförmigen Zustellkonus 232 des Schneidgruppen-Zustellsystems.
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Die Führungsleisten können so weit radial nach innen zurückgezogen werden, dass sie von den Schneidstoffkörpern radial überragt werden, so dass sie z.B. bei der Bearbeitung einer kreiszylindrischen Bohrung mit Abstand zur bearbeitenden Bohrungsinnenwand liegen und diese nicht berühren.
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Die Führungsleisten sollen in diesem Ausführungsbeispiel ausschließlich führende Funktion haben und keinen Materialabtrag bewirken. Sie sind daher aus einem Hartmetall gefertigt und weisen an ihrer der Bohrungsinnenseite zugewandten Außenfläche eine glatt polierte Oberfläche auf, die leicht zylindrisch gekrümmt ist, um beim Andrücken an die Bohrungsinnenfläche einen möglichst großflächigen Kontakt zu erzeugen. Bei anderen Varianten sind die Führungsleisten mindestens im Bereich der Außenseite aus PKD, einer Keramik oder einem Hartkunststoff gefertigt. Die Umfangsbreite der Führungsleisten kann um ein Vielfaches geringer sein als die Umfangsbreite der Schneidstoffkörper, sollte jedoch in der Regel 3 mm bis 10 mm nicht unterschreiten, damit bei der radialen Zustellung nach außen der Flächendruck an der Bohrungsinnenfläche möglichst gering bleibt.
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Das Honwerkzeug kann mit jeder Bearbeitungsmaschine betrieben werden, welches zwei separat ansteuerbare Zustellantriebe für die beiden Zustellsysteme hat. Honmaschinen für Honwerkzeuge mit Doppelaufweitung sind an sich bekannt und können hierfür benutzt werden.
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Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, unter Verwendung von einem oder mehreren Honwerkzeugen der in dieser Anmeldung beschriebenen Art Kontur-Bohrungen (z.B. flaschenförmige Bohrungen oder Bohrungen mit konischen Abschnitten oder Konusform) mit einer gewünschten Oberflächenstruktur der Bohrungsinnenfläche herzustellen. Eine Variante wird anhand von 3 näher erläutert.
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Bei der Verfahrensvariante wurde zunächst ein konventionelles Honwerkzeug mit axial relativ langen, schmalen Honleisten verwendet, um ausgehend von einer z.B. durch Feinbohren vorbearbeiteten Bohrung eine gehonte Bohrung mit Kreiszylinderform zu erzeugen. Die axiale Leistenlänge betrug dabei ca. 1/2 bis 2/3 der gesamten Bohrungslänge. Bei einer ersten Honoperation (Vorhonen) wurde mit Diamantleisten vom Typ D107 gearbeitet, eine anschließende Zwischenhonoperation wurde mit feiner Körnung (Körnung D54) durchgeführt. Dadurch wurde eine im Wesentlichen kreiszylindrische Bohrungsform mit geringer Abweichung zur Idealform und mit einer relativ glatten Oberfläche (RZ < 8 µm) hergestellt. Der eintrittsseitige und austrittsseitige Honüberlauf betrug dabei ähnlich wie bei konventionellen Verfahren ca. 1/3 der Leistenlänge. Der Honüberlauf kann bei der Bearbeitung von V- oder Monoblockmotoren verkürzt werden.
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Bei einer Verfahrensvariante wird danach bei der Konturhonoperation, z.B. bei der Erzeugung einer flaschenförmigen Bohrungsform aus einer vorher noch kreiszylindrischen Bohrungsform, ein aufweitbares Ringwerkzeug WZ mit Führungsleisten FL verwendet. Hierzu ist vorgesehen, dass die Steuerung des Aufweitsystems für die radiale Zustellung der Honsegmente (also des Schneidgruppen-Zustellsystems) mit der Steuerung für die Hubposition gekoppelt wird, damit das Ringwerkzeug den Übergangsabschnitt mit dem sich verändernden Durchmesser genau generieren kann und auch im zylindrischen ersten und zweiten Bohrungsabschnitt mit geeigneter Anlegekraft arbeitet. Die Konturhonoperation kann als zweite Honoperation unmittelbar nach dem Vorhonen vorgesehen sein.
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Die hubabhängige Steuerung der Aufweitung erfolgt dann so, dass die Honsegmente HS der Schneidgruppe SG bei einem Abwärtshub entsprechend der Flaschenform in Abhängigkeit von der Hubposition weg- und kraftgesteuert radial nach außen zugestellt und bei einem Aufwärtshub entsprechend der Flaschenform in Abhängigkeit von der Hubposition im Bereich des Übergangsabschnitts wieder radial zurückgezogen werden. So kann von Anfang an ein glatter Konturverlauf im Übergangsabschnitt erreicht werden.
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An der Honmaschine kann dies dadurch erreicht werden, dass bestimmte Hubbereiche entsprechend den ersten bis dritten Bohrungsabschnitten im Steuerprogramm eingegeben werden, so dass die Schneidgruppe durch weg- und kraftgesteuerte Aufweitung beim Abwärtshub ab Ende des ersten Bohrungsabschnitts aufweitet. Beim Aufwärtshub fährt die Aufweitung der Schneidgruppe dann ab Ende des dritten Bohrungsabschnitts zurück, so dass der erwünschte programmierte flaschenförmige Zylinder generiert wird.
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Aufgrund der gelenkigen Ankopplung des Werkzeugkörpers WK über ein Gelenk G an die Arbeitsspindel kann es nicht immer ausgeschlossen werden, dass insbesondere beim Übergang der Bearbeitung von einem engerem Bohrungsbereich zu einem weiteren Bohrungsbereich das Honwerkzeug dazu neigt, bedingt durch das Bauteildesign, leicht aus der zur Arbeitsspindel koaxialen Lage herauszukippen. Jegliche Kippneigung wird bei dem Honwerkzeug dadurch verhindert, dass die im Vergleich zur Schneidgruppe axial sehr langen Führungsleisten FL mit Hilfe des Führungsleisten-Zustellsystems jederzeit mit geeigneter Anlegekraft an die Innenseite der Bohrung im eintrittsnahen ersten Bohrungsabschnitt BA1 angelegt werden. Die Eingriffslänge kann dabei im Wesentlichen derjenigen Länge entsprechen, über die der erste Bohrungsabschnitt BA1 einen einheitlichen Durchmesser bzw. Kreiszylinderform hat. Sobald bei einem Abwärtshub die ringförmige Schneidgruppe aus dem ersten Bohrungsabschnitt in den darunterliegenden, sich erweiternden Übergangsbereich fährt und allmählich nach radial außen zugestellt wird, übernehmen die Führungsleisten FL innerhalb des ersten Bohrungsabschnitts BA1 die Führung der axialen Bewegung, indem sie, ohne Materialabtrag zu erzeugen, an der Bohrungsinnenseite entlanggleiten. Die Führungsleisten FL sind derart dimensioniert, dass sie auch dann über die gesamte Länge des ersten Bohrungsabschnitts BA1 in Eingriff mit der Bohrung stehen, wenn die ringförmige Schneidgruppe SG am eintrittsfernen Bohrungsgrund bzw. am eintrittsfernen Umkehrpunkt angekommen ist.. Die Führungsleisten sollten daher länger sein als die axiale Länge des im Durchmesser größeren zweiten Bohrungsabschnitts BA2. Die Führung bleibt auch bei der Aufwärtsbewegung des Honwerkzeugs erhalten.
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Anhand von 4 wird ein Ausführungsbeispiel eines Honwerkzeugs 400 erläutert, mit welchem ein Werkstück 600 (z.B. Zylinderlaufbuchse) bearbeitet wird, das eine rotationssymmetrische Bohrung 615 aufweist, die am Bohrungseintritt einen kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitt 620 hat, der etwas unterhalb der Mitte der Bohrung in einen konischen zweiten Abschnitt 630 übergeht, in welchem sich der Durchmesser der Bohrung zum eintrittsfernen Ende kontinuierlich erweitert. 4B zeigt eine axiale Draufsicht auf die Bearbeitungssituation, 4A einen Längsschnitt entlang der Linie A-A in 4B.
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Das Honwerkzeug hat einen Werkzeugkörper 410, der über ein Kugelgelenk 450 mit einer spindelseitigen Kupplungsstruktur 460 gekoppelt ist, die dem Werkzeuganschluss an die Arbeitsspindel dient. Das Honwerkzeug hat also ein integriertes Gelenk. Der Werkzeugkörper und die davon getragenen Komponenten sind dadurch begrenzt gegenüber der Arbeitsspindel in mehreren Achsen beweglich.
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Der Werkzeugkörper trägt am spindelfernen Ende eine einzige ringförmige Schneidgruppe 420, die nur in der Draufsicht 4B zu erkennen ist. Die axialen Dimensionen sind ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel von 2. An der ringförmigen Schneidgruppe sind mehr als 30% bis 50% des Umfangs mit Schneidmittel belegt. Die axiale Länge der Schneidstoffkörper liegt bei weniger als 30% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe und/oder im Bereich von 5 mm bis 30 mm und/oder sie beträgt weniger als 20% der Bohrungslänge der Bohrung.
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Die ringförmige Schneidgruppe hat hier sechs radial zustellbare Honsegmente 420-1 etc., die analog zum Ausführungsbeispiel von 2 gemeinsam über ein Schneidgruppen-Zustellsystem radial zugestellt werden können. Die Schneidgruppe hat sechs identische Honsegmente, die jeweils einen Umfangswinkelbereich von ca. 45° abdecken. Die in sich starren Honsegmente tragen an ihren Außenseiten jeweils Schneidstoffkörper mit axialen Längsnuten, so dass die radial ausliegende Schneidfläche in Umfangsrichtung vielfach unterbrochen ist. Es ist auch möglich, an der in Umfangsrichtung kreisbogenförmig gebogenen Außenseite des starren Schneidstoffkörper-Trägerelements relativ schmale Honleisten zu befestigen, die einen Umfangsabstand zueinander haben, so dass sich zwischen den Honleisten nut-artige Zwischenräume bilden. Durch die in Axialrichtung (oder in spitzem Winkel dazu) verlaufenden Nuten oder Zwischenräume ist eine sehr effiziente Abfuhr von Abrieb mittels des Kühlschmierstoffs möglich.
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Weiterhin ist am Werkzeugkörper eine radial aufweitbare Führungsgruppe 500 mit vier um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten, radial zustellbaren Führungsleisten 520 vorgesehen, die mit Hilfe eines Führungsgruppen-Zustellsystems unabhängig von den Schneidstoffkörpern radial zugestellt werden können. Um trotz der großen axialen Länge der Führungsleisten eine radiale Zustellung ohne Gefahr der Verkippung zu gewährleisten, sind bei diesem Ausführungsbeispiel an den Innenseiten der Führungsleistenträger drei axial beabstandete Abschnitte mit Schrägflächen vorgesehen, die mit drei axial beabstandeten Konusabschnitten des Zustellkonus 532 zusammenwirken.
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Die Führungsleisten sind paarweise diametral gegenüberliegend in zwei um 60° gegeneinander versetzten Axialebenen angeordnet. Zwischen denjenigen in Umfangsrichtung benachbarten Führungsleisten, die einen Umfangswinkel von ca. 120° einschließen, sind am Werkzeugkörper nicht-zustellbare, also fest montierte Messleisten 550 befestigt. Jede der Messleisten trägt eine Messdüse eines pneumatischen Durchmesser-Messsystems des Honwerkzeugs. Da derartige Messsysteme an sich bekannt sind, wird hier auf eine eingehende Beschreibung verzichtet.
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Anders als im Ausführungsbeispiel von 2 erstrecken sich die axial langgestreckten Führungsleisten 520-1, 520-2 etc. bis in den Axialbereich der ringförmigen Schneidgruppe 420 hinein, so dass die spindelfernen Abschnitte der Führungsleisten in Umfangsrichtung gesehen zwischen benachbarten Schneidstoffkörpern bzw. Honsegmenten angeordnet sind. Der durch die Führungsleisten abgedeckte, axial relativ lange Führungsbereich überlappt hier vollständig mit dem durch die ringförmige Schneidgruppe definierten, axial relativ kurzen Schneidbereich. Ein größerer Längenanteil der Führungsleisten, z.B. mehr als 50 % oder mehr als 60% odre mehr als 70% der Gesamtlänge der Führungsleisten, erstreckt sich jedoch im Bereich zwischen der ringförmigen Schneidgruppe und der spindelseitigen Kupplungsstruktur des Honwerkzeugs. Dadurch kann das Honwerkzeug auch dann mittels der Führungsleisten im eintrittsnahen ersten Bohrungsabschnitt 620 geführt werden, wenn die spindelferne Schneidgruppe die Bohrung im Bereich des konischen Bohrungsabschnitts 630 bearbeitet. Andererseits ist es durch die Überlappung von Führungsbereich und Schneidbereich möglich, das Honwerkzeug im ersten Bohrungsabschnitt zu führen, wenn die Schneidgruppe das eintrittsseitige Ende bearbeitet oder sogar beim Honüberlauf im oberen Umkehrpunkt teilweise in den Bereich außerhalb der Bohrung ragt.
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Honwerkzeuge bzw. Ringwerkzeuge der hier beschriebenen Art können nicht nur zur Erzeugung bzw. Bearbeitung von flaschenförmigen Bohrungen verwendet werden, sondern können auch ohne Modifikation bei der Bearbeitung von Bohrungen mit anderer Geometrie erhebliche Vorteile bringen.
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Es ist z.B. möglich, mit einem Ringwerkzeug mit Führungsleisten eine Bohrungsform zu erzeugen und/oder zu bearbeiten, die einen kegelstumpfförmigen Bohrungsabschnitt (Konusabschnitt) aufweist, der relativ abrupt oder mit Übergangsradius in einen angrenzenden zylindrischen Bohrungsabschnitt übergeht, ohne dass sich ein weiterer Bohrungsabschnitt anschließt. Dadurch kann z.B. eine Bohrung mit Trichterform erzeugt werden, die einen eingangsseitigen zylindrischen ersten Bohrungsabschnitt mit einem ersten Durchmesser hat, der sich in einem angrenzenden zweiten Bohrungsabschnitt zum Bohrungsgrund hin konisch bis zu einem Maximaldurchmesser vergrößert (vgl. 4A). Der Durchmesserunterschied zwischen dem zylindrischen ersten Bohrungsabschnitt und dem Maximaldurchmesser im konischen zweiten Bohrungsabschnitt kann kleiner als 200 µm sein und z.B. zwischen ca. 20 µm und ca. 90 µm liegen. Die axiale Länge des zylindrischen ersten Bohrungsabschnitts kann z.B. zwischen 20% und 80% der gesamten Bohrungslänge liegen.
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Weiterhin ist es möglich, mithilfe eines Ringwerkzeugs mit Führungsleisten in einer Bohrung einen tonnenförmigen Bohrungsabschnitt, d.h. eine Ausbauchung in einer ansonsten weitgehend zylindrischen Bohrung zu erzeugen. Die Ausbauchung kann z.B. mittig oder aber in der Nähe eines der Bohrungsenden liegen. Es ist auch möglich, Bohrungen mit Kreiszylinderform mittels derartiger Honwerkzeuge zu bearbeiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2810322 C2 [0007]
- EP 1790435 B1 [0008]
