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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufrauen einer Substratoberfläche als Vorbehandlung zum Beschichten, insbesondere zum thermischen Beschichten. Zur Herstellung von tribologisch geeigneten Oberflächen in Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren dient die Prozesskette Aufrauen, thermisches Beschichten und Honen. Das Aufrauen dient dazu, auf der Substratoberfläche eine geeignete Topografie herzustellen, die eine feste Verbindung zwischen der zum Beispiel durch thermisches Spritzen aufgebrachten Beschichtung und dem Substrat ermöglicht. Die Ausbildung der aufgerauten Substratoberfläche hat einen wesentlichen Einfluss auf die Haftzugfestigkeit der Schicht.
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Es wurden in der Vergangenheit verschiedene Versuche unternommen, die Oberfläche des Substrats aufzurauen.
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Die
DE 10 2010 063 704 A1 beschreibt ein Rollprägeverfahren, mit dem punktuell Hartstoffe in die Substratoberfläche eingedrückt werden. Dadurch entsteht ein Oberflächen-Profil mit höherer Rauheit. Dieses Verfahren, bzw. die zugehörige Vorrichtung ist für den Einsatz auf einer herkömmlichen Honmaschine ausgelegt. In anderen Worten: Die Vorrichtung ist nicht starr mit der angetriebenen Spindel der Honmaschine verbunden, sondern gegenüber der Spindel radialer Richtung und angular begrenzt beweglich, um einen eventuell zwischen Spindel und zu bearbeitender Bohrung vorhandenen Achsversatz und Winkelfehler ausgleichen zu können.
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Daher wird die Führung des Werkzeuges (der Vorrichtung) in der Bohrung von den expandierten Rollierwalzen übernommen, die jedoch nur eine linienförmige Anlage an die Mantellinie der Bohrung aufweisen. Außerdem sind die Rollierwalzen in axialer Richtung versetzt zueinander angeordnet. Daraus resultiert eine instabile Werkzeugführung und in Folge dessen können nur niedrige Drehzahlen gefahren werden, um zu vermeiden, dass die Vorrichtung in der Bohrung "taumelt" und in Folge dessen die Anpresskraft der Rollierwalzen auf der Substratoberfläche periodisch schwankt. Dies würde zu einer über den Umfang der Bohrung wechselnden Rauigkeit der Oberfläche führen, was unerwünscht ist.
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Die
DE 20 2009 014 180 U1 beschreibt eine Vorrichtung in der die Bearbeitungsschritte Spanen (Feinbohren) mit einer Formschneide und Rollieren in einem (Rollier-)Walze integriert sind. Die Rollierwalze enthält eine schneidenartige Kontur, welche beim Rollieren auf das vorgeschnittene kammförmige Aufrauprofil eingedrückt wird. Dies erfordert jedoch eine exakte axiale Positionierung der Rollierwalze zum vorgeschnittenen Rechteckprofil. Das Rollieren hängt unmittelbar von der Form des durch die Formschneide erzeugten Rechteckprofils ab.
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Die
DE 10 2008 024 313 A1 verwendet ebenfalls zum Aufrauen Rollierwalzen. Hier werden geometrisch definierte Walzenkonturen eingesetzt um Vorprofile zu erzeugen, welche in einem weiteren Schritt durch Verformung Hinterschnitte erhalten.
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Die
DE 10 2012 211 074 A1 enthält ebenfalls einen Rollierprozess als Nachbearbeitung der zuvor formgeschnittenen Profile. Hier ist jedoch kein Ausgleich von unterschiedlichen Achslagen von Werkstück und Werkzeug möglich, da die Rollierwalze bei einem bestimmten Zustellzustand radial fest positioniert ist.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Werkzeuge erfüllen nicht alle Anforderungen an Qualität, Vielseitigkeit, Bearbeitungsgeschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit an ein in der Großserienfertigung einsetzbares Aufrauverfahren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufrauen einer Substratoberfläche bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik weitestgehend vermeidet. Insbesondere soll es hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten (Drehzahlen) ermöglichen und auch das Aufrauen von Zylinderbohrungen mit geringer Auslauflänge ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Werkzeug zum Erzeugen einer aufgerauten Innenbohrung umfassend einen Werkzeugkörper und mindestens zwei in dem Werkzeugkörper drehbar gelagerten Walzen, wobei die Walzen in radialer Richtung federnd mit dem Werkzeug(-körper) verbunden sind, dadurch gelöst, dass die mindestens zwei in dem Werkzeugkörper drehbar gelagerten Walzen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, und dass diese Ebene orthogonal zu einer Drehachse des Werkzeugs verläuft.
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Durch diese Anordnung der drehbar gelagerten Walzen in dem Grundkörper wird vermieden, dass der Grundkörper in eine Taumelbewegung gerät, was der Qualität der aufgerauten Bohrungsoberfläche abträglich ist und außerdem die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs limitiert.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug ist auch deshalb sehr leistungsfähig, weil es starr in die Spindel einer Werkzeugmaschine eingespannt wird. Dann nämlich sorgt die Lagerung der Spindel dafür, dass das Werkzeug sich um seine Drehachse sich dreht und keine Unwuchten auftreten.
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Ein eventueller Versatz zwischen der Drehachse der Werkstückspindel bzw. des Werkzeugs und der zu bearbeitenden Bohrung wird durch die federnd gelagerten Walzen während der Bearbeitung umlaufend ausgeglichen. Weil die Masse der Walzen inklusive der zugehörigen Träger und anteilig auch der Federelemente sehr gering ist, führt diese "Unwucht" nicht zu unerwünschten Rattermarken oder sonstigen Fehlern in der bearbeiteten Bohrungsoberfläche. Zudem beträgt die Abweichung der beiden Achsen, weiter unten auch als Exzentrizität "e" bezeichnet, nur wenige hundertstel Millimeter, so dass aufgrund der geringen Massenauslenkung keine Beeinträchtigung der bearbeiteten Oberfläche bzw. deren Qualität entsteht.
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Aus den gleichen Gründen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Werkzeug eine Aufnahme zur starren Kopplung der Vorrichtung mit der Spindel einer Werkzeugmaschine aufweist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Rollierwerkzeug wird keine Zerspanung durchgeführt, sondern nur ein Prägen, wodurch die Standzeit gegenüber spanenden Verfahren wesentlich gesteigert werden kann. Dies ist besonders bei der Bearbeitung von Grauguss entscheidend. Somit ist das Rollieren die einzige wirtschaftliche Möglichkeit ist, um ein leistungsfähiges Aufrauprofil herzustellen.
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Darüber hinaus ist die Rautiefe deutlich geringer als im konventionellen, mechanischen Aufrauprozess mit definierter Schneide. Das bedeutet, dass weniger Füllvolumen für Spritzmaterial im Bereich des Aufrauprofiles benötigt wird. Es entstehen keine Späne, die sich störend zwischen Schicht und Substrat aufhalten könnten und somit die Haftzugsfestigkeit reduzieren. Die durch Rollieren entstandene Topographie ist aufgrund der auf den Walzen vorhandenen Topographie vollständig anisotrop, wodurch die später aufgetragene Schicht für die unterschiedlichen Belastungsrichtungen des Honens geeignet ist.
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Auch eine Trockenbearbeitung oder eine Bearbeitung mit Minimalmengenschmierung beim Rollieren ist denkbar, da hier keine Zerspanungsprozesse im herkömmlichen Sinne ablaufen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Werkzeug mindestens eine Zustelleinrichtung aufweist, dass die mindestens eine Zustelleinrichtung einen oder mehrere Zustellkonusse umfasst, dass die Walzen an einem Träger drehbar gelagert sind, dass sich jeder Träger federnd gegen ein Keilstück abstützt und dass sich jedes Keilstück wiederum auf einem der Zustellkonusse abstützt.
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Dadurch ist es möglich, dass die Walzen mithilfe der Zustelleinrichtung über die Zustellkonusse mit einer vorgegebenen und steuerbaren Anpresskraft gegen die Bohrung gedrückt werden.
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Gleichzeitig weisen die Federelemente zwischen den Trägern und den Keilstücken einen eventuellen Achsversatz zwischen der Drehachse des Werkzeugs und der Längsachse der zu bearbeitenden Bohrung auf.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn eine Zwangssteuerung den Zustellweg der Träger in Abhängigkeit der Position der Zustelleinrichtung in radialer Richtung begrenzt. Diese Zwangssteuerung erlaubt es, die Walzen aktiv in radialer Richtung nach außen gegen die Wandung der Bohrung zu drücken, aber auch bei einer Umkehrung der Bewegungsrichtung die Walzen aktiv von der Oberfläche der Bohrung abzuheben. Dies ist insbesondere dann von großem Vorteil, wenn nicht die gesamte Bohrung bearbeitet werden soll, sondern nur ein bestimmter Abschnitt de Bohrung, der einen etwas größeren Durchmesser als der Rest der Bohrung aufweist.
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Eine konstruktive Lösung der Zwangssteuerung sieht vor, dass parallel zu einer Mantellinie des oder der Zustellkonusse ein oder mehrere Rückholstifte direkt oder mittelbar an einer Zustellstange der Zustelleinrichtung angeordnet sind, und dass die Rückholstifte durch Koppelbohrungen in den Trägern ragen.
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Dadurch ist es möglich, die Keilstücke mithilfe der Rückholstifte durch Betätigen de Zustellstange aktiv nach innen zu bewegen. Die Zustellung radiale nach außen erfolgt über die Konusse und die Keilstücke, wenn die zu der Zustelleinrichtung gehörende Zustellstange in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird.
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Wenn nun die Träger und die Keilstücke, beispielsweise über Schrauben, Bolzen oder Niete, so miteinander verbunden sind, dass der Abstand zwischen Träger und Keilstück begrenzt wird, dann können trotz der Federn zwischen dem Träger und dem Keilstück die Walzen aktiv radial nach innen bewegt werden, indem die Zustellstange mit den Zustellkonussen entsprechend bewegt wird.
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Die zuvor bereits erwähnten Bolzen können auch eine Verliersicherung darstellen, da sie die Träger mit den Keilstücken koppeln und den "Federweg" begrenzen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Träger, aber auch die Keilstücke in Nuten geführt werden, die sich in axialer Richtung und in radialer Richtung des Werkzeugkörpers erstrecken.
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Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, eine zylindrische Mantelfläche der Walzen mit Körnern oder Splittern von Hartstoffen, bevorzugt mit Diamanten, zu belegen. Es ist auch vorteilhaft und hilfreich, die Walzen an ihrer zylindrischen Mantelfläche mit einer Verschleißschutzschicht und/oder einer reibungsverminderten Dünnschicht zu beschichten.
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Um den Verschleiß der Walzen bzw. der auf den Mantelflächen der Walzen eingebetteten Hartstoffe zu minimieren, ist es vorteilhaft, die Drehachse der Walzen orthogonal zu der geneigten wendelförmigen Bahnkurve der Walzen in der Bohrung auszurichten. Dann "schraubt" sich jede der Walzen durch die Bohrung und führt so zu einem gleichmäßigen Bearbeitungsergebnis. Weil zwei oder mehr Walzen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, können große Vorschubgeschwindigkeiten realisiert werden.
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Es ist auch möglich, in Bearbeitungsrichtung vor den Walzen eine Schneide zum Feinbohren an dem Werkzeugkörper anzuordnen. Dazu ist eine starre Kopplung von Werkzeug und Spindel der Werkzeugmaschine unerlässlich. Durch das Feinbohren kann die Bohrung noch auf das endgültige Maß vorbearbeitet werden und außerdem wird ein Achsversatz zwischen Bohrung und Spindel der Werkzeugmaschine egalisiert.
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Als Federelement zwischen den Trägern und Keilstücken können Blattfedern, Spiralfedern und/oder Tellerfedern eingesetzt werden. Selbstverständlich können auch andere Federelemente, wie z.B. Gummi-Metall-Verbindungen und anderes mehr eingesetzt werden.
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Um die Adhäsion zwischen den Walzen und der zu bearbeitenden Bohrungsoberfläche zu minimieren, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Mantelflächen der Walzen so konzentriert, bzw. so dicht wie möglich mit Schneidmittel bzw. mit Hartstoffen zu belegen. Dadurch wird der Kontakt des metallischen Binders, z. B. einer Nickelbindung, zur Bohrungsoberfläche vermieden oder zumindest minimiert. In Folge dessen wird auch die Adhäsion von gelösten Mikropartikeln vermieden. Die Standmengen und insbesondere die einheitliche Qualität des Aufrauprofils bzw. der aufgerauten Oberfläche werden damit vorteilhaft beeinflusst.
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Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, die Walzen in zwei Abschnitte mit Hartstoffen verschiedener Körnungen zu belegen. Dann wird der in Bearbeitungsrichtung vordere Teil der Walze mit feinen Hartstoffkörnern belegt und der in Bearbeitungsrichtung hintere Teil der Walze wird mit einem groberen Korn belegt. Dann ist es möglich, ein besonders günstiges Rauheitsprofil zu erreichen, indem große/raue Vertiefungen und Erhebungen von kleineren Vertiefungen und Erhebungen überlagert werden. Diese Topografie ergibt eine besonders gute Haftzugfestigkeit der anschließend aufgebrachten Beschichtung.
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Alternativ kann die Bohrungsoberfläche auch mit zwei Gruppen unterschiedlicher Walzen, die in einem Werkzeugkörper angeordnet sind, erfolgen. Durch das Abwälzen beider Walzen auf der Bohrungsoberfläche überlagern sich die Topographien/die Abdrücke der beiden Gruppen von Walzen auf der Bohrungsoberfläche. Dadurch entstehen auch Mikro-Hinterschnitte, welch die Haftzugfestigkeit der anschließend aufgebrachten Schicht deutlich erhöhen.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Werkzeugmaschine umfassend eine drehantreibbare Spindel, wobei in der Spindel ein Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche starr aufgenommen ist, und wobei die Spindel mindestens eine in axialer Richtung wirkende Zustelleinrichtung aufweist.
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Die erfindungsgemäße Maschine wird benutzt, um ein Verfahren nach dem Anspruch 17 zum Aufrauen einer Bohrung mit einer Werkzeugmaschine und einem in der Werkzeugmaschine eingespannten Werkzeug nach einem der vorhergehenden Patentansprüche wie auszuführen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst das Werkzeug in die zu bearbeitende Bohrung eingefahren. Dabei sind die Walzen relativ weit in dem Werkzeugkörper eingefahren. Sobald das Werkzeug in die zu bearbeitenden Bohrung eingefahren ist, werden die Walzen zugestellt und die Spindel wird in Drehrichtung und in Vorschubrichtung angetrieben.
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Durch das Zustellen der Walzen rollen diese auf der zu bearbeitenden Bohrung ab und prägen ihre Rauheit/Topographie, die durch Körner und die der auf den Walzen aufgebrachten Hartstoffe vorgegeben wird, in die Oberfläche der Bohrung ein.
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Die Zustellung der Walzen kann dabei kraft- und/oder weggesteuert erfolgen.
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Sobald die Walzen in radialer Richtung das Ende der Bohrung erreicht bzw. des zu bearbeitenden Bohrungsabschnitts erreicht haben, werden die Walzen in radialer Richtung von der Bohrung zurückgezogen und das Werkzeug kann aus der Bohrung ausfahren, ohne dass es zu einem Kontakt zwischen den Walzen und der Bohrung kommt.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichung
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Es zeigen:
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1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Werkzeugs,
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2 ein Detail aus 1,
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3 ein Querschnitt durch eine gestufte Bohrung (sog. Selected Bore Bearbeitung)
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4 eine CVD/PVD beschichtete Walze mit pyramidenförmig profilierter Substratwalze,
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5 eine zweifach rollierte Oberfläche (Draufsicht)
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6 eine zweifach rollierte Oberfläche (Schnittbild)
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt etwas vereinfacht und schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Werkzeugs.
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Das Werkzeug 10 umfasst einen Werkzeugkörper 12, der eine zentrale Bohrung 14 aufweist.
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In dieser zentralen Bohrung 14 ist eine Zustellstange 16 axial verschiebbar geführt. Die Zustellstange 16 ist Teil einer Zustelleinrichtung. An dem in der 1 oberen Ende des Werkzeugkörpers 12 ist eine mechanische Schnittstelle 18 ausgebildet, die es erlaubt, das Werkzeug 10 starr mit der Spindel einer nicht dargestellten Werkzeugmaschine, z. B. einem Bearbeitungszentrum oder einer Honmaschine mit Spindelkasten, zu verbinden.
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Dabei kommen vorzugsweise bereits am Markt etablierte (mechanische) Schnittstellen zwischen Werkzeugen und Spindeln von Werkzeugmaschinen zum Einsatz, so dass die Kompatibilität des erfindungsgemäßen Werkzeugs 10 mit am Markt verfügbaren Werkzeugmaschinen, insbesondere Bearbeitungszentren und Honmaschinen mit Spindelkasten, gewährleistet ist. Außerdem kann bei einer solchen normierten Schnittstelle auch der Werkzeugwechsel ohne größeren Aufwand automatisiert werden.
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An dem in 1 unteren Ende des Werkzeugkörpers 12 sind über den Umfang verteilt mindestens zwei Nuten oder Taschen 20 ausgearbeitet, die sich in radialer Richtung vom Außendurchmesser des Werkzeugkörpers 12 bis zur Bohrung 14 erstrecken. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Nuten 20 parallel zur Zeichnungsebene bzw. parallel zur Mittelachse des Werkzeugkörpers 12 in axialer Richtung.
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Es ist jedoch auch möglich, die Nuten 20 relativ zur Längsachse bzw. zur Zeichnungsebene schräg zu stellen, damit die Walzen auf der durch die Drehbewegung und die Vorschubbewegung des Werkzeugs 10 vorgegebenen Bahn abrollen.
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Die Zustellstange 16 weist an dem in 1 unteren Ende einen Konus 22 auf. An dem Konus 22 stützen sich Keilstücke 24 ab. Die Keilstücke 24 sind, ebenso wie die Träger 26, in der Nut 20 radial verschiebbar und möglichst spielfrei geführt. Zwischen den Keilstücken 24 und den Trägern 26 sind Federelemente, hier als Druckfedern 28 ausgebildet, vorgesehen.
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Die Träger 26 und die Keilstücke 24 sind über eine Schraube 30 gegen Verlieren gesichert. Trotzdem ist es möglich, dass der Abstand zwischen den Trägern 26 und dem zugehörigen Keilstück 24 variiert. In der linken Hälfte der 1 ist dieser Abstand mit a bezeichnet und hat nahezu ein Minimum erreicht. Das Minimum ist erreicht, wenn Träger 26 und Keilstücke 24 sich berühren. Diese Situation ist zeichnerisch nicht dargestellt.
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In der rechten Hälfte der 1 ist der Abstand mit b bezeichnet und hat sein Maximum erreicht. Dieses Maximum ist dann erreicht, wenn ein Kopf der Sicherungsschraube 30 an einer Gegenfläche des Trägers 26 aufliegt, wie dies im rechten Teil der 1 angedeutet ist. Die Schraube 30 ist in ein Gewinde im Keilstück 24 eingedreht und beispielsweise durch eine flüssige Schraubensicherung gegen Herausdrehen gesichert.
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Die Vorspannung und die Federrate der Federn 28 sind so bemessen, dass in der in 1 auf der rechten Seite dargestellten Position des Trägers 26 relativ zu dem Keilstück 24, die zum Rollieren erforderliche Anpresskraft zwischen einer Walze 32 und der nicht dargestellten Bohrung von den Federn 28 übertragen werden kann.
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Am Ende des Konus 22 ist eine Platte 34 an der Zustellstange 16 befestigt. In dieser Platte 34 sind (Führungs-)Zapfen 36 befestigt, wobei diese Führungszapfen 36 parallel zu dem Konus 22 verlaufen. Die Zapfen 36 ragen in Bohrungen 38 in den Keilstücken 24, wobei diese Bohrungen 38 ebenfalls parallel zu dem Konus 22 bzw. zu der damit korrespondierenden Keilfläche 40 der Keilstücke 24 verlaufen. Die Platte 34 kann beispielsweise mit einer zentralen Schraube 42 unverlierbar an der Zustellstange 14 befestigt sein.
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Dadurch wird eine zwangsweise Koppelung zwischen der Zustellstange 16 und den Keilstücken 24 sowie den Trägern 26 hergestellt. Wenn die Zustellstange 16 in axialer Richtung (siehe den Doppelpfeil in der 1) bewegt wird, dann resultiert daraus abhängig von der Steigung des Konus 22 bzw. der Keilfläche 40 eine Radialverstellung der Träger 26 und der auf den Trägern 26 drehbar gelagerten Walzen 32. Die erfindungsgemäße Zwangssteuerung ermöglicht es, aktiv die Walzen nach außen gegen eine Bohrungswand (nicht dargestellt) zuzustellen und durch Bewegen der Zustellstange 16 in 1 nach oben die Walzen 32 auch aktiv in radialer Richtung nach innen, d.h. weg von der Bohrung, zu bewegen. Dies kann durch die Maschinensteuerung automatisch erfolgen.
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In der 2 ist nun das erfindungsgemäße Werkzeug 10 dargestellt, wie es in eine Bohrung 46 eingefahren ist und die Bohrung 46 bearbeitet. Das Werkzeug 10 macht dabei gleichzeitig eine Drehbewegung und in axialer Richtung eine Vorschubbewegung, die durch einen in 2 nach unten gerichteten Pfeil angedeutet ist.
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Beginnend an der Oberkante der Bohrung 46 "schrauben sich" die Walzen 32 an der Bohrung 46 nach unten und rauen dabei die Bohrung 46 auf. Dies ist in der 2 stark übertrieben angedeutet.
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Die Walzen 32 sind beispielsweise mithilfe von gekapselten Nadellagern in dem Träger 26 drehbar gelagert, so dass sich die Walzen 32 über die Oberfläche der Bohrung 46 abrollen können. Dabei drücken sie die Rauigkeiten an ihrer zylindrischen Mantelfläche in die Oberfläche der Bohrung 46 rein und rauen diese dadurch auf.
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Wenn der Vorschub groß gewählt wird, dann kann es vorteilhaft sein, die Drehachsen 48 etwas aus der Zeichnungsebene herauszukippen und damit auch gegenüber der Drehachse das Werkzeug 10 schräg zu stellen. Dann rollen die Walzen 32 entlang der durch den Vorschub des Werkzeugs 10 vorgegebenen Wendel- oder Schraubenlinie in der Bohrung 46 ab und die Belastung der Walzen bzw. der auf den Walzen 32 aufgebrachten Hartstoffkörner bzw. Topografien wird reduziert.
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Weil die Walzen 32 zwangsgekoppelt mit der Zustellstange 16 sind, ist es auch möglich, nach dem Ende der Bearbeitung die Walzen 32 radial nach innen in den Werkzeugkörper 12 zurückzuziehen, so dass die Walzen 32 keinen Kontakt mit der Bohrung 46 haben. In diesem Zustand ist es möglich, das auslaufende oder stillstehende Werkzeug 10 aus der Bohrung 46 herauszuziehen.
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In der 2 ist der an sich unerwünschte Zustand dargestellt, dass eine Drehachse des Werkzeugs 10 und eine Mittenachse der Bohrung 46 nicht koaxial verlaufen, sondern eine gewisse Exzentrizität e vorhanden ist. Weil der aus Gründen der höheren Leistungsfähigkeit das Werkzeug 10 starr mit der Spindel einer nicht dargestellten Werkzeugmaschine gekoppelt ist, muss der Ausgleich dieser Exzentrizität mithilfe der Halter 26 und der Feder 28 erfolgen. In der in 2 linken Seite ist gut zu sehen, wie der Halter 26 in der Nut 20 weiter radial nach innen gedrückt wird, während er auf der in 2 rechten Seite weiter ausgefedert ist.
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Dadurch ist es möglich, den Werkzeugkörper 12 frei von Unwuchten und starr mit der Hohlspindel der Werkzeugmaschine zu koppeln, so dass große Drehzahlen und andererseits einen Ausgleich der Exzentrizität e vorzunehmen. Dabei machen nur die Halter 26 und die Walzen 32 die Ausgleichsbewegung. Weil diese Bauteile nur eine sehr geringe Masse haben, führt dies nicht zu einem Schwingen der gesamten Anordnung oder unregelmäßigen Bearbeitungsergebnissen in der Bohrung 46.
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Von Bedeutung im Zusammenhang mit der beanspruchten Erfindung ist auch, dass die Walzen 32 in einer Ebene E angeordnet sind, die orthogonal zur Längsachse bzw. zur Drehachse des Werkzeugs 10 verläuft. Dadurch baut das erfindungsgemäße Werkzeug 10 sehr kurz und ist dadurch besonders steif. Die Länge des Werkzeugkörpers 12 wird im Wesentlichen von der Länge der zu bearbeitenden Bohrung 46 bestimmt.
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Weil das Werkzeug 10 in 2 unterhalb der Walzen 32 nur noch sehr wenig herausragt, ist nur ein kleiner Überlauf des Werkzeugs, d.h. eine Vorschubbewegung des Werkzeugs 10, über das untere Ende der Bohrung 46 hinaus erforderlich.
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In der 3 ist die Situation dargestellt, dass nur ein Abschnitt 50 der Bohrung 46 aufgeraut werden soll. Dieser Abschnitt 50 hat einen etwas größeren Durchmesser als der Rest der Bohrung. Weil man mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug 10 die Walzen aktiv nach außen radial verschieben, aber auch radial nach innen zurückziehen kann, ist es ohne weiteres möglich, die Walzen 32 mit der Durchmessererweiterung im Abschnitt 50 in Anlage zu bringen und nach Beendigung der Bearbeitung die Walzen 32 so weit radial nach innen zurückzuziehen, dass das Werkzeug 10 wieder aus der Bohrung 46 nach oben herausgezogen werden kann.
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In der 4 ist eine solche Walze 32 schematisch dargestellt. Bei dieser Walze ist die Zylinderfläche nicht mit Hartstoffkörnern beschichtet, sondern die zylindrische Fläche ist mit Pyramidenstümpfen "aufgeraut". Diese Pyramidenstümpfe, die vor allem im Schnitt sehr gut zu erkennen sind, sind hinsichtlich ihrer Winkel und ihrer Höhe so ausgebildet, dass sie mit der vorgegebenen Anpresskraft eine gewünschte Eindringtiefe in die Oberfläche der zu bearbeitenden Bohrung 46 erreichen.
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Damit sich diese Pyramidenstümpfe nicht verformen und eine lange Standzeit aufweisen, kann die Walze 32 insbesondere im Bereich ihrer zylindrischen Mantelfläche mit einer Verschleißschutzschicht und/oder einer reibungsvermindernden Schicht beschichtet sein. Solche Schichten können zum Beispiel mittels chemical vapor deposition (CVD) oder physical vapor deposition(PVD)-Schichten aufgebracht werden.
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Es ist auch möglich, die Walzen 32 an einem Ende leicht konisch auszubilden (nichtdargestellt), so dass die Walzen 32, wenn sie in die Bohrung 46 eingefahren werden, ohne Zustellung in die Bohrung 46 einfahren können. Außerdem wird ein langsamer Anstieg der Anpresskraft zwischen Walzen 32 und Bohrung 46 (siehe die 1 bis 3) erreicht.
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In den 5 und 6 sind stark vergrößerte Aufnahmen einer mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug aufgerauten Bohrungsoberfläche dargestellt. Dabei werden zwei verschieden große Hartstoffkörner eingesetzt, die groben Körner verursachen tiefere und größere Andrücke in der Oberfläche, während die kleineren Hartstoffkörner entsprechend kleinere Vertiefungen und Rauigkeitsstrukturen erzeugen.
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In der 6 ist ein Schnitt durch eine mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug mit zwei verschiedenen Körnungen erzielte Oberfläche dargestellt.
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Zusammenfassend lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Werkzeug wie folgt charakterisieren:
Im Prozess rollen die Rollierwalzen immer mit nahezu gleicher Anpresskraft auf der Bohrung ab, so dass sich eine sehr gleichmäßig aufgeraute Oberfläche ergibt, auch wenn der Werkzeugkörper aufgrund eines Achsversatzes zwischen Spindelachse und Bohrungsachse nicht zentrisch in der Bohrung steht.
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Die Rollierwalzen sind mit gebundenem Hartstoff belegt. Die Bindung kann sowohl eine galvanische Nickelbindung, eine Sinterbindung oder ein sonstiger druckfester Kornverbund sein. Wichtig ist, dass die Hartstoffkörner mit möglichst großer Härte und Bruchfestigkeit sowie ausreichendem Kornüberstand ausgeführt sind. Das trägt zur erhöhten Standzeit der Walzen und damit auch des Werkzeugs bei. Deshalb werden vorzugsweise Diamantkörnungen verwendet. Von großer Wichtigkeit ist eine möglichst hohe Konzentration der Hartstoffe auf der Oberfläche der Walzen, um möglichst wenig Kontakt zwischen dem Werkstoff der Bohrung und dem Bindungsmaterial zwischen den Körnern entstehen zu lassen. Dies ist notwendig, da erfahrungsgemäß das Bindungsmaterial zwischen den Körnern zum Werkstoff eine höhere Adhäsion aufweist als die glatten, harten Flächen der einzelnen Hartstoffkristalle. Es soll möglichst Korn an Korn dicht angeordnet sein.
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Es besteht auch die Möglichkeit den Hartstoffbelag als Mischkornbelag mit unterschiedlicher Korngröße oder / und unterschiedlicher Kornstruktur auszuführen. Auch können partiell unterschiedliche Korngrößen oder Kornstrukturen angeordnet sein. Zum Beispiel könnte an dem der Spindel der Werkzeugmaschine abgewandten Ende der Walzen eine sehr feine Körnung angeordnet sein und dagegen im oberen Bereich (d. h. näher an der Spindel der Werkzeugmaschine) eine verhältnismäßige grobe Körnung auf den Walzen aufgebracht werden.
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Die Form/Geometrie der Hartstoffkörner spielt ebenfalls eine wesentliche Rolle für die Funktion der Walze. Blockige Diamantkörner haben aufgrund ihrer glatten Oberfläche eine geringere Adhäsionsneigung, sie bilden weniger Substrukturen im rollierten Material aus und haben aufgrund ihrer hohen Festigkeit eine hohe Standzeit.
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Splittrige Diamantkörner dagegen haben aufgrund ihrer großen aktiven Oberfläche eine hohe Adhäsionsneigung. Sie bilden hoch aufgelöste Substrukturen im Substrat aus und lassen aufgrund geringerer Festigkeit auch geringere Standzeiten erwarten
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Alternativ zu den Hartstoffkörnern können die Mantelflächen der Walzen mit einer geeigneten Topographie (Pyramidenstumpf und/oder Kegelstumpf) versehen werden und anschließend mit eine Verschleißschutzschicht und/oder reibungsmindernden Schicht versehen werden.
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Geeignete Topographien können zum Beispiel erhabene Pyramiden oder Kegelspitzen sein (4). Damit bildet die strukturierte oder profilierte Mantelfläche der Walzen die topographische Voraussetzung für das Prägerollieren und die harte Dünnschicht sichert eine hohe Verschleißfestigkeit und eine geringe Adhäsion.
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Die Korngröße und der Kornüberstand oder allgemein die Walzentopographie ist für eine mittlere Rautiefe Rz von ca. 30–100 µm im Substrat (d. h. in der Bohrung) auszuführen.
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Das an der Spindel fest angeschlossene erfindungsgemäße Werkzeug hat eine sehr geringe Baulänge, weil die Walzen in einer Ebene, die orthogonal zur Drehachse des Werkzeugkörpers verläuft, angeordnet sind. Dadurch verbessert sich die Steifigkeit der Anordnung und der vom Werkzeug benötigte Überlauf über die Bohrung wird reduziert. Außerdem neigt ein solches Werkzeug nicht zum "Taumeln", wie das bei Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Durch die in radialer Richtung federnde Aufhängung der Walzen kann eine eventuell vorhandene Exzentrizität "e" zwischen Spindel bzw. Werkzeug und der Bohrung ausgeglichen werden. Mit jedem Umlauf der Spindel federt jede Walze einmal ein und einmal aus.
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Die Zustellung der Walze erfolgt über einen oder mehrere zentralen Konusse im Inneren des Werkzeuges. Der Konuswinkel soll möglichst groß ausgelegt werden, damit das Werkzeug einen möglichst großen Verstellbereich hat.
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Die Walzen und die Zustellkonusse sind zwangsgekoppelt, so dass die Walzen nicht nur radial nach außen (Durchmesservergrößerung), sondern auch radial nach innen (Durchmesserverkleinerung) betätigt werden können.
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Auch besteht die Möglichkeit das Werkzeug für zwei qualitativ unterschiedliche Walzensätze auszuführen. Diese beiden Walzensätze sollen unabhängig voneinander, nacheinander oder mit geringer Überdeckung, in einer Bohrung eingesetzt werden. Dies erfordert eine Doppelzustellung, wie sie zum Beispiel bei Honwerkzeugen bekannt ist. (Verweis auf)
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit dass neben den Rollierwalzen auch Feinbohrschneiden angeordnet sind, welche dem Rollierprozess vorauslaufen. Dadurch kann das Verfahren besonders wirtschaftlich eingesetzt werden, weil Feinbohren und Rollieren in einem Arbeitsgang erfolgen. Ist das Werkzeug für beide Prozesse ausgelegt, so muss maschinenseitig eine Doppelzustellung verfügbar sein, so dass beide Systeme, das Feinbohren und das Rollieren unabhängig voneinander beaufschlagt werden können.
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Eine weitere Anwendungsvariante bei einem derartigen Kombinationswerkzeug besteht in der nicht zylindrischen Bearbeitung der Bohrung 46 durch Feinbohren (Formbohren) und dem anschließenden Rollieren. Die Feinbohrschneiden können in radialer Richtung abhängig vom Drehwinkel der Spindel und der axialen Position des Werkzeugs 10 in der Bohrung 46 dynamisch verstellt werden, so dass entlang der Bohrungsachse nichtzylindrische, jedoch rotationsymmetrische Formen entstehen.
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Die federnd gelagerten Rollierwalzen können den nicht zylindrischen Konturen folgen und anschmiegen und somit die feingespindelte von der Zylinderform abweichende Bohrung aufrauen.
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Die Kinematik des Verfahrens besteht in einer überlagerten Dreh- und axialen Vorschubbewegung. Es werden nur ein Arbeitshub und ein Leerhub benötigt. Im Leerhub fährt das Werkzeug mit "eingezogenen" Walzen, d. h. ohne Kontakt zur Bohrung aus der Bohrung aus.
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Beim Einfahren des Werkzeugs 10 in die Bohrung 46 gibt es verschiedene Modi, um die Walzen 46 in Eingriff zu bringen:
- 1. Innerhalb des ersten Drittels der Walzenlänge nach Einfahren über die obere Bohrungskante baut sich die prozessgerechte Radialkraft zum Anlegen der Walze auf, sodass die restlichen zwei Drittel bereits mit Sollkraft über die Bohrungskante in die Bohrung einfahren.
- 2. Die Walze fährt zu einem Drittel in die Bohrung ein, hält axial an bei laufender Rotation, legt dann radial an und beginnt dann zu Rollieren.
- 3. Die Walze fährt zu einem Drittel ein, hält axial und rotatorisch an, legt die Walze an die Bohrungswand mit der gewünschten Prozesskraft an und beginnt zu rollieren.
- 4. Ein Sonderfall ist die als „Selected Bore“ ausgeführte Bohrungskontur (siehe 3). Hier fähren die Walzen 32 in eine axiale Position, in der die obere Walzenkante dicht unterhalb der oberen Kante der Durchmessererweiterung im Abschnitt 50 liegt, dann wird die Zustellkraft angelegt und der Rolliervorgang kann beginnen und bis zum Ende des Abschnitts 50 durchgeführt werden, dann hält die axiale Bewegung wieder an und die Walzen 32 werden radial zurückgefahren, sodass das Werkzeug 10 ausfahren kann.
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Es ist anzumerken, dass das Verfahren sowohl in einer Operation erfolgen kann als auch in zwei Operationen mit unterschiedlichen Körnern, dabei ist es wichtig das die Prägestruktur der ersten Operation gezielt von der Prägestruktur der zweiten Operation überlagert wird und somit weitere Sub-Profilstrukturen und Mikro-Hinterschnitte durch Mikroverformen und Mikrorisse entstehen (5 und 6).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010063704 A1 [0003]
- DE 202009014180 U1 [0005]
- DE 102008024313 A1 [0006]
- DE 102012211074 A1 [0007]
