DE102016120497A1 - Motorbohrungs-fräsprozess - Google Patents

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Abstract

Offenbart wird ein Verfahren zum Fräsen einer Motorbohrung. Das Verfahren kann das Einführen eines Fräswerkzeugs mit mehreren Schneidkanten entlang einer Längsachse in eine Motorbohrung, das Rotieren des Fräswerkzeugs um die Längsachse und das Bewegen des Fräswerkzeugs um eine Umfangslänge der Motorbohrung zum Abtragen von Material von der Motorbohrung sowie das Vorhonen der Bohrung umfassen. Das Fräsen kann eine sich verjüngende (beispielsweise kegelstumpfförmige) Bohrung erzeugen. Der Vorhonprozess kann einen minimalen Durchmesser der sich verjüngenden Bohrung um mindestens 60 µm vergrößern. Eine Gesamtzeit des Fräs- und Honprozesses kann weniger als 60 Sekunden betragen. In einer Ausführungsform kann der Honschritt die Verwendung einer Korngröße von mindestens 200 µm und/oder die Verwendung einer Honkraft von mindestens 200 kgf umfassen. Das Verfahren kann die Taktzeit und die Werkzeugbereitstellungsanforderungen beim Bilden von Motorbohrungen vermindern.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fräsprozess, beispielsweise einen Motorbohrungs-Fräsprozess.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Um die Verdichtung beizubehalten und um eine genügende Öleinbehaltung bereitzustellen, werden die Bohrungen von Otto- und Dieselmotorblöcken typischerweise auf enge Maß- und Oberflächengütetoleranzen spanabhebend bearbeitet. Im herkömmlichen Verfahren werden Bohrungen ggf. nach dem Entfernen von Gussrückständen unter Verwendung eines mehrstufigen Bohrprozesses bearbeitet, um die Maße zu steuern, und abschließend mit einem Honprozess spanabhebend bearbeitet, um die Oberflächengüte zu steuern. Im Bohrprozess werden üblicherweise drei separate Schritte durchgeführt, nämlich Vorbohren, Ausbohren, Abschlussbohren. Im Allgemeinen benötigt jeder Schritt ein Werkzeug mit einem fixen Durchmesser. Zusätzlich dazu benötigen Abschlussbohrwerkzeuge in der Regel ein Durchmesser-Messwerkzeug für nach dem Prozess sowie einen kompensierenden, einstellbaren Werkzeugkopf, um bei fortschreitendem Verschleiß des Werkzeugs einen konstanten Durchmesser beizubehalten. Pro Bohrzyklus benötigt jeder Bohrschritt ungefähr 10 bis 15 Sekunden. Der Honprozess, der der spanabhebenden Bearbeitung folgt, weist in der Regel auch drei Schritte auf. Der erste Schritt, der üblicherweise als Vorhondurchgang bezeichnet wird, lässt sich durch die vorgelegte Zylinderabmessung und die Oberflächengüte nach dem Abschlussbohren direkt beeinflussen. Diese herkömmliche Vorgehensweise kann qualitativ hochwertige Bohrungen produzieren, kann jedoch relativ unflexibel sein und einen erheblichen Werkzeugmaschinenaufwand erfordern.
  • KURZDARSTELLUNG
  • In zumindest einer Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, das das Einführen eines Fräswerkzeugs mit mehreren Schneidkanten entlang einer Längsachse in eine Motorbohrung, das Rotieren des Fräswerkzeugs um die Längsachse und das Bewegen des Fräswerkzeugs um eine Umfangslänge der Motorbohrung zum Abtragen von Material von der Motorbohrung und zum Bilden einer sich verjüngenden Bohrung sowie das Vorhonen der sich verjüngenden Bohrung, um einen minimalen Durchmesser der sich verjüngenden Bohrung um mindestens 60 µm zu vergrößern, umfasst.
  • Der Rotationsschritt kann das Bewegen des Fräswerkzeugs entlang einer Umfangslänge der Motorbohrung um zwei oder mehr Umläufe umfassen. Ein erster der zwei oder mehr Umläufe kann einen Vorfrässchritt umfassen, und ein zweiter der zwei oder mehr Umläufe kann einen Ausfrässchritt umfassen. In einer Ausführungsform umfasst der Rotationsschritt drei Umläufe, die einen ersten Vorfrässchritt, einen zweiten Ausfrässchritt und einen dritten Abschlussfrässchritt umfassen. Die Motorbohrung kann in einem Grauguss- oder einem Gusseisen-Vermiculargraphitmotorblock, in einer Gusseisen-Zylinderlaufbuchse, die in einem Aluminium- oder Magnesiummotorblock eingesetzt ist, oder in einem beschichteten Aluminiummotorblock (beispielsweise mit einer thermisch aufgespritzten Stahlbeschichtung) ausgebildet sein. Eine Gesamtzeit des Rotationsschritts und des Vorhonschritts kann weniger als 60 Sekunden betragen. Eine Gesamtzeit des Rotationsschritts kann weniger als 20 Sekunden betragen. In einer Ausführungsform umfasst der Vorhonschritt das Honen der sich verjüngenden Bohrung unter Verwendung einer Korngröße von mindestens 200 µm. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Vorhonschritt das Honen der sich verjüngenden Bohrung unter Verwendung einer Honkraft von mindestens 200 kgf. Der Vorhonschritt kann einen minimalen Durchmesser der sich verjüngenden Bohrung um mindestens 75 µm vergrößern.
  • In zumindest einer Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, das das Erzeugen einer ersten kegelstumpfförmigen Bohrung mit einem engen und einem weiten Durchmesser ausgehend von einer Motorbohrung über einen ersten interpolierten Fräsdurchgang; das Erzeugen einer zweiten kegelstumpfförmigen Bohrung mit einem engen und einem weiten Durchmesser ausgehend von der ersten kegelstumpfförmigen Bohrung über einen oder mehrere zusätzliche interpolierte Fräsdurchgänge; und das Vorhonen der zweiten kegelstumpfförmigen Bohrung, um den Durchmesser des zweiten engen Endes um mindestens 60 µm zu vergrößern, umfasst.
  • Die zweite kegelstumpfförmige Bohrung kann durch einen oder zwei interpolierte Fräsdurchgänge erzeugt werden. In einer Ausführungsform beträgt eine Gesamtzeit des ersten interpolierten Fräsdurchgangs und des einen oder der mehreren zusätzlichen interpolierten Fräsdurchgänge weniger als 20 Sekunden. Der Vorhonschritt kann den Durchmesser des zweiten engen Endes um mindestens 75 µm vergrößern. Der erste interpolierte Fräsdurchgang und der eine oder die mehreren zusätzlichen interpolierten Fräsdurchgänge können ein einziges Fräswerkzeug verwenden.
  • In zumindest einer Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, das einen ersten interpolierten Fräsdurchgang, der einen Durchmesser einer Motorbohrung auf einen zweiten Durchmesser vergrößert; einen oder mehrere zusätzliche interpolierte Fräsdurchgänge, die den Durchmesser der Motorbohrung auf einen dritten Durchmesser vergrößern; und das Vorhonen der Motorbohrung, um eine zylinderförmige Motorbohrung zu erzeugen, umfasst, wobei eine Gesamtzeit aller interpolierten Fräsdurchgänge und des Vorhonens weniger als 60 Sekunden beträgt.
  • In einer Ausführungsform beträgt die Gesamtzeit aller interpolierten Fräsdurchgänge und des Vorhonens weniger als 55 Sekunden. Eine Gesamtzeit des ersten interpolierten Fräsdurchgangs und des einen oder der mehreren zusätzlichen interpolierten Fräsdurchgänge kann weniger als 20 Sekunden betragen. In einer Ausführungsform umfasst der Vorhonschritt das Honen der Motorbohrung unter Verwendung eines Schleifmittels (beispielsweise eines Schleifkörpers mit eingebundenen Diamanten) mit einer Korngröße von mindestens 200 µm. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Vorhonschritt das Honen der Motorbohrung unter Verwendung einer Honkraft von mindestens 200 kgf.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Bohrprozesses zum Ausbilden einer Motorbohrung;
  • 2 zeigt schematisch einen Querschnitt eines interpolierten Fräsprozesses zum Ausbilden einer Motorbohrung gemäß einer Ausführungsform;
  • 3 zeigt schematisch einen Querschnitt einer sich verjüngenden Motorbohrung, die durch einen interpolierten Fräsprozess gemäß einer Ausführungsform ausgebildet wird;
  • 4 zeigt schematisch einen Querschnitt einer zylinderförmigen Motorbohrung, die durch einen Vorhonprozess gemäß einer Ausführungsform ausgebildet wird;
  • 5 zeigt ein Ablaufschema eines herkömmlichen dreistufigen Bohrprozesses zum Ausbilden einer Motorbohrung;
  • 6 zeigt ein Ablaufschema eines interpolierten Fräsprozesses zum Ausbilden einer Motorbohrung gemäß einer Ausführungsform;
  • 7 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Fräswerkzeugs, das einen konstanten Schneidradius aufweist, sowie der Kraftverteilung und der sich ergebenden Motorbohrungswand gemäß einer Ausführungsform;
  • 8 zeigt schematisch einen Querschnitt eines Fräswerkzeugs, das verstellbare Schneidradien aufweist, sowie der Kraftverteilung und der sich ergebenden Motorbohrungswand gemäß einer Ausführungsform;
  • 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Fräswerkzeugs, das verstellbare Schneideinsätze aufweist, gemäß einer Ausführungsform;
  • 10 zeigt eine vergrößerte Ansicht der verstellbaren Schneideinsätze aus 9 gemäß einer Ausführungsform;
  • 11 zeigt ein Kurvendiagramm, das den Durchmesser einiger Bohrungen als Funktion der Tiefe zeigt, sowie eine Bohrung, die unter Verwendung eines Fräswerkzeugs mit verstellbaren Schneideinsätzen ausgebildet worden ist, aufweist;
  • 12 zeigt ein Kurvendiagramm, das den Bohrungsdurchmesser mehrerer Bohrungen zeigt, die unter Verwendung eines Fräswerkzeugs mit verstellbaren Einsätzen geschnitten worden sind;
  • 13 zeigt eine Draufsicht auf eine strukturierte Schneidkante eines Fräserschneideinsatzes gemäß einer Ausführungsform;
  • 14A zeigt ein Beispiel eines sinusförmigen Profils für eine strukturierte Schneidkante gemäß einer Ausführungsform;
  • 14B zeigt ein Beispiel eines rechteckwellenförmigen Profils für eine strukturierte Schneidkante gemäß einer Ausführungsform;
  • 14C zeigt ein Beispiel eines dreieckwellenförmigen Profils für eine strukturierte Schneidkante gemäß einer Ausführungsform;
  • 14D zeigt ein Beispiel eines sägezahnwellenförmigen Profils für eine strukturierte Schneidkante gemäß einer Ausführungsform; und
  • 15 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Fräswerkzeugs mit verstellbaren angewinkelten Schneideinsätzen gemäß einer Ausführungsform.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen für die Erfindung, die in diversen und alternativen Formen verkörpert werden kann, rein beispielhaft sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Bauteile darzustellen. Daher sollen hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Art und Weise einzusetzen ist.
  • Bezugnehmend auf 1 wird ein herkömmlicher Bohrprozess, der zum Ausbilden einer Motorbohrung 10 verwendet wird, gezeigt. Die Motorbohrung 10 kann in einem Motorblockgussteil (beispielsweise einem Grauguss- oder einem Gusseisen-Vermiculargraphitmotorblock), in einer Gusseisen-Zylinderlaufbuchse, die in einem Aluminium- oder Magnesiummotorblock eingesetzt ist, oder in einem beschichteten Aluminiummotorblock (beispielsweise mit einer thermisch aufgespritzten Stahlbeschichtung) ausgebildet sein. Die Motorbohrungswand 12 kann einen Ausgangsdurchmesser wie etwa einen Gusseisen-Zylinderbuchsendurchmesser aufweisen, oder dieser kann beim Gießen eines Motorblocks beispielsweise unter Verwendung von Gusskernen ausgebildet sein. Der Ausgangsdurchmesser kann jedoch in dem gezeigten Bohrprozess (beispielsweise in einem Cubing-Prozess) spanabhebend bearbeitet oder vor diesem anderweitig ausgebildet werden, um beispielsweise Gussrückstände zu entfernen. Wie oben beschrieben umfasst der herkömmliche Bohrprozess drei separate Bohrschritte, nämlich Vorbohren, Ausbohren und Abschlussbohren. Bei jedem Bohrschritt rotiert eine Bohrspindel 14 mit einem oder mehreren daran angebrachten Schneideinsätzen 16 um eine Längsachse 18 der Bohrspindel, um Material von der Motorbohrungswand 12 abzutragen. Der Schneideinsatz 16 weist ausgehend von der Längsachse 18 einen fixen Schneidradius auf, der größer ist als der Radius der Motorbohrungswand 12 vor dem Bohrprozess. Bei der Längsachse 18 der Bohrspindel handelt es sich somit auch um die Längsachse der Motorbohrung 10. Als Folge des Bohrprozesses ergibt sich, dass der Radius der Motorbohrungswand 12 gleich dem Schneidradius des Schneideinsatzes ist. Während des Vorbohrens, Ausbohrens und Abschlussbohrens werden unterschiedliche Bohrspindeln 14 und/oder Schneideinsätze 16 verwendet, um den Schneidradius bei jedem Schritt zu vergrößern. Die Abschlussbohrspindel weist in der Regel ein Nachprozess-Messwerkzeug und eine Rückkoppelungsschleife zu einem radialen Verstellkopf an der Bohrspindel auf, um einen Einsatzverschleiß zu kompensieren.
  • Dementsprechend handelt es sich beim Bohren einer Motorbohrung um einen unflexiblen Prozess. Jeder Bohrschritt weist ein entsprechendes Werkzeug mit einem fixen Schneidradius auf, wobei das Werkzeug zum Vergrößern des Schneidradius für jeden Bohrschritt ausgewechselt werden muss. Das Bohren einer Motorbohrung erfordert pro Motorbohrungsgeometrie mehrere Bohrwerkzeuge (z.B. beim herkömmlichen dreistufigen Bohrprozess drei Bohrwerkzeuge). Werden bei einer Motorengruppe mehrere Motorbohrungsgeometrien verwendet, so kann sich die Anzahl erforderlicher Bohrwerkzeuge schnell erhöhen. Die Bohrwerkzeuge können daher einen erheblichen Kapitalaufwand darstellen, insbesondere falls sich die Anzahl verschiedener Motorbohrungsgeometrien erhöht. Zudem kann sich die erforderliche Lagerung und Wartung all dieser unterschiedlichen Bohrwerkzeuge als betriebsmittelintensiv erweisen. Zusätzlich dazu sind das Nachprozess-Messwerkzeug und der Verstellkopf an der Abschlussbohrspindel teuer, wobei diese eine ähnliche Messung vor dem ersten Hondurchgang duplizieren können.
  • Der Bohrprozess ist nicht nur unflexibel und teuer, sondern weist zusätzlich auch relativ lange Taktzeiten auf. Wie oben beschrieben dauert jeder Bohrschritt ca. 10 bis 15 Sekunden. Daher werden zum Ausführen der drei Bohrschritte (Vorbohren, Ausbohren, Abschlussbohren) pro Motorbohrung 30 bis 45 Sekunden benötigt. Nach dem Bohren wird ein Vorhonprozess ausgeführt, auf den mindestens ein zusätzlicher Aushonprozess oder Abschlusshonprozess folgt. Der Vorhonprozess dauert in der Regel ungefähr 40 Sekunden, so dass die Gesamtzeit für das Bohren und Vorhonen für eine Motorbohrung wesentlich länger als eine Minute beträgt (beispielsweise 30 Sekunden zum Bohren + 40 Sekunden zum Vorhonen = 70 Sekunden insgesamt). Während dementsprechend mit dem herkömmlichen Bohrprozess qualitativ hochwertige Motorbohrungen erzeugt werden können, ist der Prozess im Allgemeinen teuer, unflexibel und weist lange Taktzeiten auf.
  • Bezugnehmend auf 2 hat sich herausgestellt, dass qualitativ hochwertige Motorbohrungen auch unter Verwendung eines interpolierten Fräsprozesses erzeugt werden können. Beim interpolierten Fräsen kann ein Fräswerkzeug 20 in die Motorbohrung 10 eingesetzt und zum Abtragen von Material in einem Pfad entlang einer Umfangslänge der Motorbohrung 10 verwendet werden. Bei der Motorbohrung 10 kann es sich um eine Motobohrunglaufbuchse wie etwa eine Gusseisen-Zylinderlaufbuchse handeln, oder es kann sich um eine Aluminiumbohrung mit einer darauf aufgebrachten Beschichtung wie etwa einer thermisch aufgespritzten Stahlbeschichtung (beispielsweise PTWA) handeln. Das Fräswerkzeug 20 kann einen Körper 22 und mehrere Schneideinsätze 24, die beispielsweise unmittelbar oder über eine Kartusche an den Körper 22 gekoppelt sind, aufweisen. Die Schneideinsätze 24 können sich entlang einer Länge des Körpers 22 erstrecken und entlang der Länge beabstandet sein. Die Länge des Körpers kann einer Längsachse 26 des Körpers 22 entsprechen. Es können zwei oder mehr Reihen 28, beispielsweise zwei, drei oder vier Reihen 28, mit Schneideinsätzen 24, die sich entlang der Längsachse 26 erstrecken, vorhanden sein. Die Reihen 28 können in einer geraden Linie oder versetzt angeordnet sein, so dass die Einsätze entlang der Umfangslänge des Körpers 22 an unterschiedlichen Stellen angeordnet sind.
  • In zumindest einer Ausführungsform können sich der Körper 22 und die Schneideinsätze 24 über eine gesamte Höhe der Motorbohrung 10 erstrecken bzw. diese übergreifen. Beispielsweise können sich der Körper 22 und die Schneideinsätze 24 über mindestens 100 mm wie etwa mindestens 110 mm, 130 mm, 150 mm oder 170 mm erstrecken bzw. diese übergreifen. Die Reihen 28 mit Schneideinsätzen 24 können zwei oder mehr wie etwa mindestens 5, 8, 10 oder mehr Einsätze aufweisen. Bei der gesamten Anzahl von Schneideinsätzen 24 kann es sich um die Anzahl von Einsätzen pro Reihe multipliziert mit der Anzahl von Reihen 28 handeln. Wenn vier Reihen und zehn Einsätze pro Reihe vorhanden sind, können daher insgesamt 40 Schneideinsätze 24 vorhanden sein. Wie in 2 gezeigt können zwei oder mehr Reihen 28 voneinander versetzt angeordnet sein, so dass die Einsätze 24 in einer Reihe Material abtragen, das von einer anderen Reihe aufgrund der Lücken 30 zwischen den Einsätzen 24 nicht abgetragen worden ist. In einer Ausführungsform können die Reihen 28 paarweise ausgebildet sein, wobei die Einsätze 24 so versetzt angeordnet sind, dass das in den von der anderen Reihe 28 in den Lücken 30 belassene Material abgetragen wird. Es können ein, zwei oder mehr paarweise Gruppen vorhanden sein, was eine gerade Anzahl von Reihen 28 ergibt.
  • Während des interpolierten Fräsprozesses kann sich der Körper 22 um dessen Längsachse 26 drehen. Im Gegensatz zur Bohrung entspricht die Längsachse 26 des Körpers jedoch nicht der Längsachse 32 der Motorbohrung 10 bzw. stimmt mit dieser nicht überein. Der Schneidradius des Fräswerkzeugs 20 (beispielsweise von der Spitze des Schneideinsatzes bis zur Längsachse des Körpers) ist kleiner als ein Radius der Motorbohrung 10. Dementsprechend lässt sich der Fräswerkzeugkörper 22 so in die Motorbohrung 10 (beispielsweise in einer Richtung "Z") einsetzen, dass sich der Körper 22 und die Schneideinsätze 24 über die gesamte Höhe der Motorbohrung 10 erstrecken bzw. diese übergreifen. Der Körper 22 kann um dessen Längsachse 26 gedreht und dann entlang der Umfangslänge der Motorbohrungswand 12 bewegt werden, um von dieser Material abzutragen. In einer Ausführungsform kann der Körper 22 während des interpolierten Fräsprozesses in der Z-Richtung konstant oder im Wesentlichen konstant gehalten werden (beispielsweise wird der Körper 22 gegenüber der Motorbohrung 10 nicht auf und ab bewegt). Der Körper 22 kann in der X-Y-Ebene bewegt werden, um entlang einem vorbestimmten Pfad bewegt zu werden und die Größe der Motorbohrung 10 zu vergrößern. Der Körper 22 kann zum Vergrößern des Radius/Durchmessers der Motorbohrung entlang einem kreisförmigen Pfad bewegt werden, der einen Radius bzw. Durchmesser aufweist, der größer ist als der gegenwärtige Motorbohrungsdurchmesser.
  • Ein interpoliertes Fräsen lässt sich von einem interpolierten mechanischen Rauen hinsichtlich der Werkzeugart, der Werkzeugbewegung, der sich ergebenden Oberflächenstruktur und der Materialanwendung unterscheiden. Ein interpoliertes Rauen umfasst in der Regel ein sich drehendes Werkzeug, das zum Bewegen entlang einer Umfangslänge einer Bohrung ausgebildet ist, um gezielt Material abzutragen und dabei die Oberfläche aufzurauen (beispielsweise unter Bildung von Rillen). Ein interpoliertes Rauen trägt jedoch keine einheitliche (bzw. annähernd einheitliche) Materialdicke ab, um einen Durchmesser einer Bohrung zu vergrößern. Zudem wird ein interpoliertes Rauen nur bei Aluminium- oder Magnesiummotorblöcken verwendet, um die Oberfläche für ein nachfolgendes Beschichten (beispielsweise PTWA) vorzubereiten und nicht, um einen gesteuerten Bohrungsdurchmesser in einer Gusseisen-Zylinderlaufbuchse oder einer bereits beschichteten Aluminiummotorbohrung auszubilden.
  • Es können zwei oder mehr Umläufe bzw. Durchgänge (beispielsweise komplette Umkreisungen) erfolgen. In einer Ausführungsform, kann das meiste Material beim ersten Umlauf abgetragen werden (beispielsweise wird der Durchmesser der Motorbohrung beim ersten Umlauf am meisten vergrößert). Bei nachfolgenden Umläufen kann weniger Material als beim ersten Umlauf abgetragen werden, wobei bei jedem weiteren Umlauf sukzessive weniger Material abgetragen wird. Beispielsweise kann beim ersten Umlauf der Durchmesser der Motorbohrung 10 um bis zu 3 mm, etwa um 0,5 bis 3 mm, 1 bis 3 mm, 1 bis 2,5 mm, 1,5 bis 3 mm oder 2 bis 3 mm vergrößert werden. Beim zweiten Umlauf kann die Motorbohrung 10 um bis zu 1,5 mm, etwa um 0,25 bis 1,5 mm, 0,25 bis 1 mm, 0,5 bis 1,5 mm, 0,5 bis 1,25 mm oder 0,75 bis 1,25 mm oder um etwa 1 mm (beispielsweise ±0,1 mm) vergrößert werden. Bei den dem zweiten Umlauf folgenden Umläufen kann der Durchmesser der Motorbohrung 10 um bis zu 0,5 mm, beispielsweise von 0,1 bis 0,5 mm oder 0,25 bis 0,5 mm vergrößert werden. Bei den oben erwähnten Durchmesservergrößerungen handelt es sich lediglich um Beispiele, wobei der Durchmesser während der verschiedenen Umläufe situationsbedingt mehr oder weniger vergrößert werden kann.
  • Ein Umlauf bzw. Durchgang beim interpolierten Fräsen kann erheblich schneller als ein Bohrschritt durchgeführt werden. Wie oben beschrieben dauert jeder Bohrschritt ca. 10 bis 15 Sekunden. Demgegenüber kann ein Durchgang beim interpolierten Fräsen einer Motorbohrung 8 Sekunden oder weniger, beispielsweise 7, 6 oder 5 Sekunden oder weniger dauern. In einer Ausführungsform kann ein Durchgang beim interpolierten Fräsen 2 bis 5 Sekunden, 3 bis 5 Sekunden, 4 Sekunden oder ungefähr 4 Sekunden (beispielsweise ±0,5 Sekunden) dauern. Dementsprechend kann die Fräszeit insgesamt weniger als 25 Sekunden, beispielsweise weniger als 20 oder weniger als 15 Sekunden dauern, wenn während eines Motorbohrungsfräsprozesses 2 oder 3 Umläufe erfolgen. Bei Fräsprozessen mit nur zwei Umläufen kann die Fräszeit insgesamt weniger als 10 Sekunden betragen.
  • Während des interpolierten Fräsprozesses können die Reaktionskräfte, die von der Motorbohrungsseitenwand auf das Werkzeug wirken, ein nach innen gerichtetes radiales Durchbiegen des Werkzeugs (beispielsweise zur Mitte bzw. zur Längsachse der Motorbohrung hin) verursachen. Die Durchbiegung kann bei relativ langen Fräswerkzeugen, beispielsweise bei den offenbarten Werkzeugen mit 100 mm Länge oder bei längeren Werkzeugen, und die zum Fräsen einer gesamten Höhe der Motorbohrung in einem Durchgang verwendet werden, größer sein. Dementsprechend können die interpolierten Fräsumläufe eine geringe Verjüngung der Motorbohrungsseitenwand 12 zur Folge haben, wobei der Durchmesser der Motorbohrung 10 allgemein von oben nach unten abnimmt. Ein Beispiel einer sich verjüngenden Motorbohrung 40 wird in 3 schematisch gezeigt. Wie gezeigt weist ein erstes Ende 42, das als das obere Ende der Bohrung bezeichnet wird, einen größeren Durchmesser als ein zweites Ende 44 auf, das als das untere Ende der Bohrung bezeichnet wird. In 3 wird der Durchmesser der Bohrungswand 46 als sich in einem konstanten Grad kontinuierlich abnehmend gezeigt, wobei es sich hierbei jedoch lediglich um eine vereinfachte Darstellung handelt. Der Durchmesser kann in Bereichen zum unteren Ende der Bohrung hin örtlich zunehmen (beispielsweise nicht kontinuierlich abnehmen), und/oder der Grad der Durchmesserabnahme kann nicht konstant (beispielsweise allgemein exponentiell) sein. In einer Ausführungsform kann der interpolierte Fräsprozess eine kegelstumpfförmige Bohrung erzeugen, die am ersten Ende 42 einen relativ großen bzw. weiten Durchmesser und am zweiten Ende 44 einen relativ kleinen bzw. engen Durchmesser aufweist. Jeder zusätzliche interpolierte Fräsdurchgang kann eine neue kegelstumpfförmige Bohrung erzeugen, die im größeren Maße weite und/oder enge Durchmesser aufweisen können. Wie oben beschrieben kann bzw. können die kegelstumpfförmige(n) Bohrung(en) örtliche Durchmesserabweichungen entlang der Längsachse aufweisen, wobei dieser Begriff nicht als die genaue geometrische Form darstellend verstanden werden sollte.
  • Nach dem interpolierten Fräsprozess (beispielsweise einem oder mehr Umläufen), kann an der vergrößerten Motorbohrung ein Honprozess erfolgen. Der Honprozess kann erfolgen, um der Motorbohrung eine präzisere Geometrie und/oder Oberflächengüte zu verleihen. Das Honen umfasst allgemein das Drehen eines Honwerkzeugs, das zwei oder mehr Honsteine aufweist, um eine Längsachse, während das Honwerkzeug in der Motorbohrung in der Z-Richtung (beispielsweise auf und ab) oszilliert wird. Die Honsteine sind in der Regel aus Schleifkörnern gebildet, die durch einen Klebstoff zusammengehalten werden. Die Schleifkörner können eine Korngröße aufweisen, die als Korngrößenzahl oder als eine Korngröße (beispielsweise in Mikrometer) angegeben werden kann. Um den Durchmesser der Bohrung zu vergrößern, wird auf die Honsteine eine Kraft in der radialen Richtung aufgebracht.
  • Beim herkömmlichen Motorbohrungsbohrprozess erfolgen wie bei den Bohrschritten in der Regel drei Honschritte, nämlich das Vorhonen, Aushonen und Abschlusshonen. Bei diesen Honschritten kann sukzessive weniger Material abgetragen werden (beispielsweise wird der Durchmesser der Bohrung um immer kleinere Werte vergrößert). Zudem ergibt der Bohrprozess allgemein eine im Wesentlichen zylinderförmige Bohrung. Beispielsweise kann die sich ergebende Bohrung eine Zylindrizität von 25 µm oder weniger, wie etwa bis 20 µm aufweisen. Deshalb berücksichtigen herkömmliche Honprozesse eine sich verjüngende bzw. kegelstumpfförmige Motorbohrung wie die oben offenbarte, vom interpolierten Fräsen herrührende Bohrung nicht. Die Vorlagebohrgeometrie wirkt sich insbesondere am meisten auf den ersten Honprozess bzw. den Vorhonprozess aus.
  • Dementsprechend wird ein modifizierter Honprozess offenbart, der eine Verjüngung in einer Motorbohrung vermindern oder eliminieren kann, um so eine zylinderförmige oder im Wesentlichen zylinderförmige Motorbohrung 50 wie in 4 gezeigt zu produzieren. Beim modifizierten Honprozess kann es sich um einen modifizierten Vorhonprozess handeln, da der Vorhonprozess der erste Prozess ist, dem sich die Motorbohrung nach dem Fräsen präsentiert. Herkömmliche Vorhonprozesse verwenden eine etablierte Korngröße und Honkraft von ungefähr 180 µm bzw. 100 kgf. Es hat sich erwiesen, dass herkömmliche Honparameter bei der Eliminierung bzw. Verminderung einer Verjüngung in einer Motorbohrung Schwierigkeiten bereiten. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass der Vorhonprozess bei vergrößerter Korngröße und/oder erhöhter Honkraft zum Eliminieren bzw. Vermindern der Verjüngung in einer Motorbohrung verwendet werden kann.
  • In einer Ausführungsform kann die Korngröße des Vorhonsteins gegenüber dem herkömmlichen Vorhonstein (beispielsweise von ungefähr 180 µm) vergrößert werden. Beispielsweise kann die Korngröße auf mindestens 200 µm, 210 µm, 220 oder 230 µm vergrößert werden. Bei diesen Korngrößen kann es sich um eine durchschnittliche Korngröße handeln. In einer weiteren Ausführungsform, die allenfalls mit der vergrößerten Korngröße kombiniert werden kann, kann die Honkraft während des Vorhonprozesses gegenüber der herkömmlichen Vorhonkraft (beispielsweise von ungefähr 100 kgf) erhöht werden. Beispielsweise kann die Vorhonkraft auf mindestens 150 kgf, 200 kgf, 250 kgf, 300 kgf oder 350 kgf erhöht werden. In einer Ausführungsform kann die Vorhonkraft auf 150 bis 350 kgf oder jeden dazwischenliegenden Teilbereich wie etwa 175 bis 325 kgf, 200 bis 325 kgf, 250 bis 325 kgf, oder ungefähr 300 kgf (beispielsweise ±10 kgf) erhöht werden. Anstelle von Absolutwerten kann die Vorhonkraft für einen gegebenen Honprozess auch um Relativwerte gegenüber dem Standardvorhonprozess erhöht werden. Beispielsweise kann die Vorhonkraft gegenüber der herkömmlichen Vorhonkraft um mindestens 1,5x, 2x, 2,5x, 3x oder 3,5 erhöht werden. Wenn daher die herkömmliche Kraft 75 kgf betragen hat, ergäbe eine Erhöhung um den Faktor drei 225 kgf.
  • Anstelle einer Anpassung der Vorhonparameter können vor einem Aushonschritt ein oder zwei Mikrokalibrierschritte erfolgen, um die Verjüngung in der Motorbohrung zu eliminieren oder vermindern. In einer Ausführungsform kann ein Mikrokalibrierschritt zwischen dem letzten Frässchritt und einem Aushonschritt eingefügt werden. Beim Mikrokalibrieren werden Schleifpartikel (beispielsweise Schleifdiamanten) verwendet, um auf einem Körper mit fixem (sich nicht ausdehnendem) Durchmesser Material abzutragen. Im Gegensatz zum Honen wird das Werkzeug nur einmal statt in mehreren Hüben mit gleichzeitiger Erweiterung des Werkzeugs in die Bohrung ein- und ausgeführt. Ein Mikrokalibrieren kann je nach dem notwendigen Materialabtrag unter Verwendung eines einzigen Durchgangs oder von mehreren Durchgängen erfolgen.
  • Bezugnehmend auf 5 wird ein Ablaufschema 60 eines herkömmlichen Bohrprozesses gezeigt. Wie oben beschrieben umfasst der herkömmliche Prozess drei Bohrschritte, nämlich das Vorbohren 62, das Ausbohren 64 und das Abschlussbohren 66. Nach dem Bohren wird die Motorbohrung in der Regel in einem dem Bohren ähnlichen dreistufigen Prozess gehont, wobei mit einem Vorhonschritt 68 begonnen wird. Das Ausbohren 64 und das Abschlussbohren 66 dauern in der Regel jeweils mindestens 10 Sekunden, wobei das Vorbohren in der Regel mit ungefähr 15 Sekunden länger dauert. Dementsprechend dauert der Bohrprozess allgemein ungefähr 35 Sekunden oder länger. Der herkömmliche Vorhonschritt 68 dauert ungefähr 40 Sekunden, was für die Schritte 62 bis 68 eine Gesamtzeit von ungefähr 75 Sekunden ergibt. Beim typischen dreistufigen Honprozess wird der Durchmesser der Motorbohrung üblicherweise in Schritten von ungefähr 50 µm, 30 µm, und 10 µm beim ersten (Vorhonen), zweiten bzw. dritten Honschritt um 90 µm erweitert.
  • Bezugnehmend auf 6 wird ein Ablaufschema 70 für den oben offenbarten interpolierten Fräsprozess gezeigt. Durch den interpolierten Fräsprozess lässt sich das Bohren im Motorbohrungserzeugungsprozess eliminieren. Stattdessen kann der Prozess einen Vorfrässchritt 72 sowie einen kombinierten Ausfräs-/Abschlussfrässchritt 74, der als ein zweiter Frässchritt 74 bezeichnet werden kann, umfassen. Jeder interpolierte Frässchritt kann einen oder mehrere Umläufe entlang einer Umfangslänge der Motorbohrung umfassen, um den Durchmesser der Motorbohrung durch Abtragen von Material zu vergrößern. In einer Ausführungsform kann der Vorfrässchritt 72 nur einen einzelnen Umlauf bzw. Durchgang entlang der Umfangslänge der Motorbohrung umfassen. Der Vorfrässchritt kann den Durchmesser der Motorbohrung um einige mm, beispielsweise um ungefähr 1 bis 2 mm vergrößern. In einer Ausführungsform kann der zweite Frässchritt 74 einen oder zwei Umläufe oder Durchgänge entlang der Umfangslänge der Motorbohrung umfassen. Bei jedem Durchgang während des zweiten Frässchritts 74 kann jeweils weniger Material abgetragen und der Durchmesser der Motorbohrung um einen kleineren Wert als beim Vorfrässchritt 72 vergrößert werden. Beispielsweise kann bei jedem Durchgang der Durchmesser um bis zu 1 mm vergrößert werden. In einer Ausführungsform können die Frässchritte 72 und 74 mit demselben Werkzeug oder mit identischen Werkzeugen (beispielweise mit demselben Schneidradius) durchgeführt werden.
  • Die Frässchritte 72 und 74 können erheblich kürzer sein als die oben beschriebenen Bohrprozesse. In einer Ausführungsform kann jeder Fräsumlauf weniger als 8 Sekunden, beispielsweise bis zu 7 Sekunden, 6 Sekunden, 5 Sekunden oder 4 Sekunden dauern. Daher kann ein Fräsprozess, der einen Vorbohrumlauf und zwei Ausfräs-/Abschlussumläufe umfasst, weniger als 24 Sekunden dauern und so wenig wie 12 Sekunden oder weniger betragen. Bei einem Fräsprozess, der einen Vorbohrumlauf und einen zweiten Fräsumlauf umfasst, kann der Prozess weniger als 16 Sekunden dauern und so wenig wie 8 Sekunden oder weniger betragen. Dementsprechend kann die Gesamtzeit für die dem Honen vorhergehenden Schritte im Ablaufschema 70 (beispielsweise die Frässchritte) deutlich und erheblich kürzer sein als die Gesamtzeit für die dem Honen vorhergehenden Schritte im Ablaufschema 60 (beispielsweise die Bohrschritte). Wie oben beschrieben dauert der dreistufige Bohrprozess in der Regel mindestens 35 Sekunden, wobei dies fast dreimal länger ist als bei einem Fräsprozess mit 3 Umläufen (beispielsweise 12 Sekunden bei 4 s/Umlauf) und mehr als viermal länger ist als bei einem Fräsprozess mit 2 Umläufen (beispielsweise 8 Sekunden bei 4 s/Umlauf).
  • Nach den Frässchritten 72 und 74 kann ein modifizierter Vorhonschritt 76 erfolgen. Wie oben beschrieben lässt sich mit den Frässchritten 72 und 74 eine sich verjüngende Motorbohrung erzeugen, die als kegelstumpfförmige Bohrung mit engen und weiten Enddurchmessern bezeichnet werden kann. Dementsprechend lässt sich mit dem modifizierten Vorhonschritt 76 die Verjüngung in der Bohrung vermindern oder eliminieren, wobei zusätzlich die präzisere Geometrie und/oder Oberflächengüte als beim typischen Vorhonen erzielt bereitgestellt wird. Mit dem modifizierten Vorhonschritt 76 lässt sich zusätzliches Material vom engeren Ende der Motorbohrung (beispielsweise dem wie in 3 und 4 gezeigten unteren Ende der Bohrung) abtragen, um den Durchmesser der Bohrung im engeren Ende zu vergrößern. Wie oben beschrieben lässt sich dieser zusätzliche Materialabtrag durch eine Vergrößerung der Korngröße der Honsteine und/oder durch eine Erhöhung der auf die Honsteine aufgebrachten Kraft bzw. des auf die Honsteine aufgebrachten Drucks erzielen.
  • Beim herkömmlichen Vorhonschritt wird der Durchmesser der Motorbohrung in der Regel um ungefähr 50 µm vergrößert, wobei dieser beim zweiten und dritten Durchgang um jeweils 30 µm bzw. 10 µm vergrößert wird, was insgesamt 90 µm ergibt. Beim modifizierten Vorhonschritt 76 kann der Durchmesser eines engen Endes der Motorbohrung um mehr als den herkömmlichen Wert erhöht werden, um die Verjüngung zu vermindern oder eliminieren. Anders ausgedrückt kann der minimale Durchmesser der Motorbohrung um mehr als den herkömmlichen Wert erhöht werden, um die Verjüngung zu vermindern oder eliminieren. In zumindest einer Ausführungsform kann der minimale Durchmesser um mindestens 55 µm, beispielsweise mindestens 60 µm, 65 µm, 70 µm, 75 µm, 80 µm, 85 µm, 90 µm, 95 µm oder 100 µm vergrößert werden.
  • Nach dem modifizierten Vorhonprozess 76 können zusätzliche Honschritte erfolgen. Bei diesen Honschritten kann es sich um die gleichen oder um den herkömmlichen zweiten, dritten oder zusätzlichen Honschritten ähnliche Honschritte handeln. Wie oben beschrieben wird beim herkömmlichen mehrstufigen Honprozess der Durchmesser der Motorbohrung in der Regel um ungefähr 90 µm vergrößert. In einer Ausführungsform kann die Durchmesservergrößerung durch den modifizierten Vorhonschritt 76 und die (beispielsweise ein oder zwei) zusätzlichen Honschritte insgesamt erheblich größer sein. Beispielsweise kann die Durchmesservergrößerung insgesamt mindestens 120 µm, 125 µm, 130 µm, 135 µm, 140 µm, 145 µm oder 150 µm betragen. Die Durchmesservergrößerung kann bei einem minimalen bzw. engen Ende einer sich verjüngenden Vorlagebohrung erfolgen, oder sie kann bei jedem anderen Durchmesser der Vorlagebohrung, auch bei dem weiten Ende bzw. dem maximalen Durchmesser, erfolgen.
  • Der modifizierte Vorhonschritt 76 kann gleich lange oder ähnlich lange wie der herkömmliche Vorhonschritt 68 dauern (beispielsweise ungefähr 40 Sekunden). In zumindest einer Ausführungsform kann eine Gesamtzeit für die Schritte 72 bis 76 (beispielsweise Fräsen und Vorhonen) 65 Sekunden oder weniger betragen. Beispielsweise kann die Gesamtzeit 60, 55 oder 50 Sekunden oder weniger betragen. Dementsprechend kann das Verfahren zum Erzeugen von Motorbohrungen unter Verwendung eines interpolierten Fräsens erheblich kürzer sein als der typische Zeittakt von 75 Sekunden unter Verwendung des herkömmlichen Bohrprozesses. Insbesondere lässt sich der dem Honen vorhergehende Prozessabschnitt (beispielsweise Bohren oder Fräsen) um mehr als die Hälfte verkürzen. Beispielsweise kann ein Fräsprozess mit zwei Fräsumläufen gegenüber einem dreistufigen Bohrprozess mit 35 Sekunden nur 8 Sekunden dauern.
  • Bezugnehmend auf 7 kann das Fräswerkzeug 80 (beispielsweise ein Langloch-Seitenfräser) mehrere Schneideinsätze 82 aufweisen, die entlang dessen Länge (beispielsweise parallel zu dessen Längsachse) angeordnet sind und jeweils eine Schneidkante 84 aufweisen. Bei herkömmlichen Fräswerkzeugen sind die Schneideinsätze 82 so ausgebildet, dass jede Schneidkante 84 den gleichen Schneidradius 86 aufweist. Der Schneidradius 86 lässt sich von einer Mitte bzw. einer Längsachse 88 des Schneidwerkzeugs 80 bis zur Schneidkante 84 definieren.
  • Das Werkzeug 80 in 7 wird mit der herkömmlichen Auslegung mit einem einheitlichen Schneidradius 86 für jeden Einsatz 82 gezeigt. Die identischen Radien können daher eine einheitliche Kraftverteilung 90 auf die Motorbohrungswand 92 erzeugen. Wie jedoch oben beschrieben können während des interpolierten Fräsprozesses die Reaktionskräfte, die von der Motorbohrungsseitenwand auf das Werkzeug einwirken, erzeugt werden. Als Folge davon wird ein Biegemoment 94 erzeugt, das ein radial nach innen gerichtetes Durchbiegen des Werkzeugs verursacht (beispielsweise zur Mitte bzw. zur Längsachse der Motorbohrung hin). Zudem können örtliche Abweichungen in der strukturellen Steifheit des Motorblocks vorhanden sein, die zum Biegen oder zu einer ungleichmäßigen teilweisen Verformung des Werkzeugs führen können, wobei als Folge davon Maßfehler in der Motorbohrung auftreten können. Dies kann während des interpolierten Fräsprozesses eine Verjüngung 96 in der Motorbohrungswand 92 verursachen. Wird ein Fräsen bei anderen Anwendungen verwendet, werden tiefe Aussparungen in einer Reihe von verhältnismäßig schmalen Schichten spanabhebend bearbeitet, sequenziell geschnitten bis die volle Tiefe erreicht ist. Diese Vorgehensweise verlängert die Taktzeit und den Werkzeugverschleiß bei der spanabhebenden Bearbeitung erheblich, ist jedoch bei vielen Anwendungen erforderlich, um die verlangten Toleranzen zu erreichen.
  • Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich die Verjüngung durch Verstellen der Schneidradien der einzelnen Schneideinsätze vermindern oder eliminieren lässt. Bezugnehmend auf 8 wird ein Fräswerkzeug 100 (beispielsweise ein Langloch-Seitenfräser) gezeigt, das mehrere Schneideinsätze 102 aufweisen kann, die entlang dessen Länge (beispielsweise parallel zu dessen Längsachse) angeordnet sind und jeweils eine Schneidkante 104 aufweisen. Im Unterschied zu herkömmlichen Fräswerkzeugen sind die Schneideinsätze 102 so ausgebildet, dass keine der Schneidkanten 104 den gleichen Schneidradius 106 aufweist. Der Schneidradius 106 lässt sich von einer Mitte bzw. einer Längsachse 108 des Schneidwerkzeugs 100 bis zur Schneidkante 104 definieren. Das Werkzeug 100 kann einen einstufigen Fräsprozess bis zur vollen Tiefe (beispielsweise zum Schneiden der gesamten Höhe der Bohrung in einem Durchgang) erlauben, ohne dass mehrere aufeinanderfolgende Schnitte erforderlich sind.
  • Wie gezeigt können mehrere unterschiedliche Schneidradien 106 vorhanden sein, so dass mindestens 2, 3, 4, 5 oder mehr unterschiedliche Schneidradien 106 vorhanden sind. In einer Ausführungsform kann jeder Schneideinsatz 102 unabhängig von einem ersten Radius zu einem zweiten Radius bzw. von einem Minimalradius zu einem Maximalradius verstellbar sein. Die Einsätze 102 können mechanisch verstellbar sein, so dass die Verstellung durch das Werkzeug (beispielsweise nicht unmittelbar von Hand) vorgenommen wird. Das Werkzeug 100 kann jedoch auch Schneideinsätze 102 aufweisen, die nicht verstellbar sind, oder es können mehrere Schneideinsätze 102 so gekoppelt sein, dass sich deren Schneidradien zusammen verstellen. Das Schneidwerkzeug 100 kann jegliche Kombination aus unabhängig verstellbaren, fixen und gekoppelten Schneideinsätzen enthalten. Wie in 8 gezeigt können die verstellbaren Radien eine uneinheitliche Kraftverteilung 110 auf die Motorbohrungswand 112 erzeugen.
  • Die Schneidradien 106 können zum Vermindern oder Eliminieren der Verjüngung in der Motorbohrungswand 112 ausgebildet sein. Beispielsweise können die Schneidradien zum Korrigieren der Durchbiegung des Werkzeugs 100 ausgebildet sein, die durch ein Biegemoment 114 verursacht wird, das (wie oben beschrieben) durch Reaktionskräfte der Motorbohrungswand 112 verursacht wird. In einer Ausführungsform kann der Schneidradius 106 eines oder mehrerer Schneideinsätze 102 aufgrund eines ersten interpolierten Fräsprozesses bestimmt werden, wobei alle Schneidradien die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen. Nach dem Fräsprozess kann die Motorbohrung gemessen werden, um die Maßabweichung an mehreren axialen Positionen in der Bohrung zu bestimmen. Bei der Maßabweichung kann es sich an jeder Position um eine durchschnittliche Abweichung handeln. Die mehreren axialen Positionen können den Positionen der Schneideinsätze, wie etwa den Mittelpunkten der Einsätze entsprechen. Die Maßabweichungen lassen sich als "+" oder "–" bezogen auf den programmierten bzw. ausgebildeten Radius ausdrücken. Beispielsweise kann ein Radius, der um 20 µm zu groß ist, "+20" und ein Radius, der um 20 µm zu klein ist, "–20" sein, oder umgekehrt (das Vorzeichen kann negativ oder positiv sein, so lange dies widerspruchsfrei ist). Nachdem die Motorbohrung gemessen und analysiert worden ist, können die Schneidradien 106 auf den gleichen Wert jedoch mit unterschiedlichem Vorzeichen zu den gemessenen Maßen verstellt werden. Falls der Radius für eine bestimmte Einsatzposition +20 gewesen ist, kann der Schneidradius dementsprechend auf –20 verstellt werden (falls der Radius beispielsweise um 20 µm zu groß gewesen ist, kann der Einsatz um 20 µm radial nach innen verstellt werden). Unter Verwendung der oben beschriebenen Methodik kann jeder Schneideinsatz bzw. können alle Schneideinsätze verstellt werden. Sobald ein gewisser Fräsprozess gemessen und analysiert worden ist, können die verstellten Radien ohne erneute Kalibrierung in zukünftigen Fräsprozessen verwendet werden. Alternativ dazu können die Verstellungen nach einer gewissen Anzahl von Fräsprozessen erneut kalibriert werden.
  • Während der oben beschriebene Prozess ein genaues Verfahren zum Verstellen der Schneidradien 106 bereitstellen kann, lässt sich zum Verstellen der Schneidradien 106 zum Vermindern oder Eliminieren einer Verjüngung in einer Motorbohrung jedes geeignete Verfahren verwenden. Beispielsweise lassen sich die Schneidradienverstellungen berechnen oder unter Verwendung von Modellen voraussagen. In einer Ausführungsform lassen sich die Schneidradienverstellungen unter Verwendung der Analyse finiter Elemente (FEA – finite element analysis) bzw. der Methode finiter Elemente (FEM – finite element method) berechnen. Bei der Analyse finiter Elemente handelt es sich um einen allgemeinen Prozess, der im Stand der Technik bekannt und nicht eingehender erläutert wird. Im Allgemeinen umfasst dieser eine Analyse bzw. Näherungsberechnung eines realen Objekts, indem dieses in eine große Anzahl "finiter Elemente" wie etwa kleiner Würfel unterteilt wird. Dann lassen sich mathematische Gleichungen verwenden, um aufgrund von Eingaben zu den Materialeigenschaften das Verhalten jedes Elements vorherzusagen. Ein Rechner bzw. eine Rechnersoftware kann dann die einzelnen Elementverhalten addieren bzw. aufrechnen, um das Verhalten des angenäherten Objekts vorherzusagen. Beispielsweise lassen sich im interpolierten Fräsprozess Eigenschaften des Fräswerkzeugs (beispielsweise die Anzahl, Größe, Materialeigenschaften, Konfiguration/Anordnung usw. der Schneideinsätze), des Fräsprozesses (beispielsweise der Schneidradius, die aufgebrachte Kraft usw.) und der Motorbohrung (beispielsweise die Materialeigenschaften, Bohrungskonfigurationen usw.) in eine besonders programmierte Software eingeben, die dann ähnlich dem oben beschriebenen Verfahren erwartete bzw. angenäherte +/– -Werte berechnen kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform können die Verstellungen aufgrund vereinfachter mathematischer Gleichungen oder Annahmen vorgenommen werden. Beispielsweise verursacht das auf das Werkzeug einwirkende Biegemoment allgemein ein Durchbiegen des distalen Endes des Fräswerkzeugs nach innen um einen Höchstwert bzw. um einen Wert, der mindestens höher als am proximalen Ende des Werkzeugs ist. Dementsprechend kann angenommen werden, dass sich das Werkzeug allgemein um einen zunehmenden Wert nach innen durchbiegen wird, je weiter sich die Position entlang der Länge des Werkzeugs befindet. Deshalb lassen sich die Verstellungen aufgrund einer zunehmenden Durchbiegung unter Verwendung einer mathematischen Formel vornehmen. Beispielsweise kann es sich bei der Formel um eine zur Länge lineare Zunahme oder um eine exponentielle Zunahme, wie etwa um eine hyperbolische Zunahme handeln. Daher können die Schneidradienverstellungen einer Formel folgen, die das allgemeine Verhalten des Werkzeugs während des Fräsens vorhersagt.
  • In zumindest einer Ausführungsform können die Schneidradien 106 der Einsätze einen gewissen Bewegungsbereich aufweisen. Der Bewegungsbereich lässt sich als Unterschied zwischen dem ersten (beispielsweise dem maximalen) Schneidradius und dem zweiten (beispielsweise dem minimalen) Schneidradius definieren. In einer Ausführungsform kann der Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Schneidradius mindestens 5 µm, wie etwa mindestens 10 µm, 15 µm, 20 µm, 25 µm oder 30 µm betragen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Schneidradius höchstens 50 µm, wie etwa höchstens 45 µm oder 40 µm betragen. Zum Beispiel kann der Unterschied zwischen 5 µm bis 35 µm betragen oder in jedem dazwischenliegenden Teilbereich wie etwa 5 bis 25 µm, 10 bis 30 µm, 10 bis 25 µm, 15 bis 30 µm, 15 bis 25 µm oder anderen Teilbereichen liegen. Jeder Schneideinsatz kann den gleichen Bewegungsbereich aufweisen, oder ein oder mehrere Einsätze können unterschiedliche Bewegungsbereiche aufweisen. Beispielsweise können Einsätze nahe dem unteren Ende des Werkzeugs einen größeren Bewegungsbereich aufweisen, um die nach innen gerichtete Durchbiegung des Werkzeugs auszugleichen.
  • Bezugnehmend auf 9 und 10 wird eine Ausführungsform eines Fräswerkzeugs 120 mit verstellbaren Schneideinsätzen 122 gezeigt. Die Einsätze 122 können eine geeignete Art von Schneideinsätzen wie etwa Wolframkarbid-, kubisches Bornitrid-, Diamantschneideinsätze oder dgl. aufweisen. Beim gezeigten Fräswerkzeug 120 handelt es sich um einen Langloch-Seitenfräser; die offenbarten verstellbaren Schneideinsätze 122 lassen sich jedoch in anderen umfangsmäßig fräsenden Werkzeugen anwenden bzw. verwenden. Das Werkzeug 120 weist einen Werkzeugkörper 124 auf, an den die Schneideinsätze 122 gekoppelt sind. Die Schneideinsätze 122 können unmittelbar am Körper 124 angebracht sein, oder sie können beispielsweise über eine Kartusche, die am Körper 124 angebracht ist, indirekt angebracht sein. Wie oben beschrieben können zwei oder mehr Reihen 126, beispielsweise zwei, drei oder vier Reihen 126, mit Schneideinsätzen 122, die sich entlang der Längsachse 128 des Werkzeugs erstrecken, vorhanden sein. Die Reihen 126 können in einer geraden Linie angeordnet sein, oder sie können so versetzt sein, dass die Einsätze (beispielsweise wie in 9 gezeigt) an unterschiedlichen Stellen entlang der Umfangslänge des Körpers 124 angeordnet sind. In einer Ausführungsform können die Reihen 126 paarweise ausgebildet sein, und die Einsätze 122 in jedem Paar können so ausgebildet sein, dass die Einsätze an der gleichen Position in den Reihen 126 die gleichen Schneidradien 106 aufweisen können. Beispielsweise kann der fünfte Einsatz von oben in jeder Reihe eine "–15"-Position aufweisen, und der sechste Einsatz von oben in jeder Reihe kann eine "+10"-Position aufweisen.
  • In zumindest einer Ausführungsform können der Körper 124 und die Schneideinsätze 122 so ausgebildet sein, dass diese sich über eine gesamte Höhe einer Motorbohrung erstrecken oder diese übergreifen. Beispielsweise können sich der Körper 124 und die Schneideinsätze 122 um mindestens 100 mm, wie etwa mindestens 110 mm, 120 mm, 145 mm oder 160 mm erstrecken bzw. diese Maße übergreifen. Die Reihen 126 mit Schneideinsätzen 122 können jeweils zwei oder mehr Einsätze, wie etwa mindestens 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Einsätze aufweisen. Bei der gesamten Anzahl von Schneideinsätzen 122 kann es sich um die Anzahl von Einsätzen pro Reihe multipliziert mit der Anzahl von Reihen 126 handeln. Wenn vier Reihen und zehn Einsätze pro Reihe vorhanden sind, können daher insgesamt 40 Schneideinsätze 122 vorhanden sein. Wie in 9 gezeigt können zwei oder mehr Reihen 126 voneinander versetzt angeordnet sein, so dass die Einsätze 122 in einer Reihe Material abtragen, das von einer anderen Reihe aufgrund der Lücken 130 zwischen den Einsätzen 122 nicht abgetragen worden ist. In einer Ausführungsform können die Reihen 126 paarweise ausgebildet sein, wobei die Einsätze 122 so versetzt angeordnet sind, dass das von der anderen Reihe 126 in den Lücken 130 belassene Material abgetragen wird. Es können ein, zwei oder mehr paarweise Gruppen vorhanden sein, was eine gerade Anzahl von Reihen 126 ergibt. Beispielsweise weist das in 9 gezeigte Werkzeug vier Reihen 126 auf, die jeweils zehn Schneideinsätze 122 aufweisen. Die Reihen sind als zwei Paare ausgebildet, wobei die Einsätze in jedem Paar auf gegenüberliegenden Seiten des Werkzeugkörpers 124 (beispielsweise um 180° entlang der Umfangslänge versetzt) angeordnet sind.
  • Bezugnehmend auf 10 wird eine Detailansicht der Schneideinsätze 122 des Werkzeugs 120 gezeigt. Die Schneideinsätze weisen jeweils eine Schneidkante 132 auf, die den Bezugspunkt zum Messen des Schneidradius des Einsatzes bilden kann. Jeder Einsatz 122 kann am Körper 124 festgelegt sein. In der in 9 und 10 gezeigten Ausführungsform, sind die Einsätze 122 jeweils mit einem Befestigungsmittel 134 wie etwa einer Schraube am Körper 132 festgelegt. Das Befestigungsmittel kann sich durch eine Öffnung oder ein Loch 136 im Einsatz 122 hindurch und in einen (nicht gezeigten) Gewindeabschnitt einer Anbringungsfläche 138 am Körper 124 hinein erstrecken. Bei der Öffnung 136 kann es sich um ein Durchgangsloch handeln, das einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser des Befestigungsmittels 134, womit es dem Einsatz 122 erlaubt ist, sich vor dem endgültigen Festziehen des Befestigungsmittels 134 radial nach innen und außen zu bewegen. Der Einsatz kann eine Lippe 140 aufweisen, die die Öffnung 136 umgibt und zum Berühren des Kopfs 142 des Befestigungsmittels und zum örtlichen Festlegen des Einsatzes 122 ausgebildet ist.
  • Benachbart zu irgendeinem oder zu allen Schneideinsätzen 122 kann ein Verstellmechanismus 144 zum Verstellen des Schneidradius der Schneidkante 132 positioniert sein. In einer Ausführungsform kann der Verstellmechanismus 144 eine Verstellschraube 146 und ein Verstellglied 148 aufweisen. Die Verstellschraube 146 kann sich verjüngend ausgebildet sein, so dass diese an deren oberen Ende einen größeren und an deren unteren Ende einen kleineren Durchmesser aufweist. Die Verstellschraube 146 kann in einem Gewindeabschnitt im Körper 124 aufgenommen sein. Das Verstellglied 148 kann zum Schneideinsatz 122 benachbart angeordnet und zur Berührung durch die Verstellschraube 146 ausgebildet sein. Das Verstellglied 148 kann als eine Wand, die benachbart zum Schneideinsatz 122 angeordnet ist, ausgebildet sein und eine Seite des Schneideinsatzes 122 berühren.
  • Im Betrieb kann der Schneidradius des Schneideinsatzes 122 durch die Bewegung des Verstellglieds 148 (beispielsweise einer Wand) über eine Drehung der Verstellschraube 146 verstellt werden. Vor dem Festlegen der Schneideinsatzes 122 mit dem Befestigungsmittel 134 an der Anbringungsfläche 138 kann die Verstellschraube 146 so gedreht werden, dass diese tiefer in das Gewinde im Gewindeabschnitt des Körpers 124 hineingedreht, oder dass diese aus dem Gewinde im Gewindeabschnitt herausgedreht oder abgeschraubt wird. Falls die Verstellschraube 146 tiefer in das Gewinde hineingedreht wird, berührt der sich verjüngende Durchmesser der Schraube das Verstellglied 148 und drückt dieses so, dass es sich radial nach außen durchbiegt, um den Schneidradius des Einsatzes zu vergrößern. Falls die Verstellschraube 146 aus dem Gewinde herausgedreht oder abgeschraubt wird, beendet der sich verjüngende Durchmesser der Schraube die Kraftbeaufschlagung des Verstellglieds 148 oder beaufschlagt eine geringere Kraft, so dass das Verstellglied 148 teilweise oder vollständig in dessen nicht durchgebogene Position zurückkehren und eine Verminderung des Schneidradius erlauben kann. Durch Verstellen der Verstellschraube 146 kann der Schneideinsatz 122 dementsprechend über die Anbringungsfläche 138 verschoben werden, um den Schneidradius des Schneideinsatzes 122 verstellbar zu vergrößern oder verkleinern. Die Verstellung kann kontrolliert und reproduzierbar erfolgen. Beispielsweise kann der Schneidradius aufgrund der Anzahl von Drehungen der Verstellschraube 146 (beispielsweise nach innen oder außen) stufenweise gesteuert werden.
  • Während 9 und 10 ein Beispiel eines Verstellmechanismus zeigen, kann jeder geeignete Verstellmechanismus für eine kontrollierte und zuverlässige Veränderung des Schneidradius eines Schneideinsatzes verwendet werden. Anstatt sich entlang der Anbringungsfläche 138 zu verschieben, können sich die Schneideinsätze beispielsweise um eine zur Längsachse des Werkzeugs parallele Achse drehen, um den Schneidradius zu vergrößern oder verkleinern. Während die Schneideinsätze 122 als unmittelbar am Körper 124 festgelegt gezeigt werden, können diese zudem indirekt, beispielsweise unter Verwendung einer Kartusche an den Körper 124 gekoppelt sein. Die Einsätze können in einer ähnlichen Art und Weise wie oben offenbart an einer Kartusche angebracht sein (beispielsweise mit einem gegenüber der Kartusche verstellbaren Schneidradius), wobei die Kartusche dann am Körper 124 festgelegt wird.
  • Dementsprechend wird ein Fräswerkzeug mit verstellbaren Schneideinsätzen offenbart, wobei der Schneidradius eines oder mehrerer Schneideinsätze verändert oder verstellt werden kann. Das Werkzeug kann zum Vermindern oder Eliminieren einer Verjüngung bei einer Motorbohrung während eines interpolierten Fräsprozesses verwendet werden. Wie oben beschrieben, kann ein auf das Werkzeug einwirkendes Biegemoment verursachen, dass sich das Werkzeug nach innen durchbiegt und einen uneinheitlichen Materialabtrag entlang einer Längsachse des Werkzeugs aufweist. Die Einsätze lassen sich deshalb beispielsweise aufgrund empirischer Versuche oder Modelle verstellen, um die Maßfehler zu kompensieren, die durch einen einzigen konstanten Schneidradius für ein gesamtes Werkzeug erzeugt werden.
  • Es hat sich überraschenderweise auch gezeigt, dass die Maßfehler nicht einen sich konstant verkleinernden Bohrungsdurchmesser (beispielsweise eine durchgehende Verjüngung) zur Folge haben können. Stattdessen können Stellen vorhanden sein, bei denen der vom Fräsen erzeugte Durchmesser örtlich größer ist als in einer Fläche zum oberen Ende der Bohrung hin. Dementsprechend kann ein Fräswerkzeug zum Korrigieren von Maßfehlern mindestens drei Schneideinsätze in Reihe von einem ersten, oberen Ende des Werkzeugkörpers zu einem zweiten, unteren Ende des Werkzeugkörpers aufweisen, wobei der Schneidradius des zweiten Einsatzes größer ist als die Schneidradien der ersten und dritten Einsätze. Dies kann bei Maßfehlern richtig sein, in denen ein örtlicher Bereich vorhanden ist, der einen größeren Durchmesser aufweist als ein darüber angeordneter Bereich in der Motorbohrung. Der Schneidradius des ersten Einsatzes kann größer sein als der Schneidradius des dritten Einsatzes. Es können selbstverständlich mehr als drei mit dem Werkzeug gekoppelte Schneideinsätze vorhanden sein, wobei die offenbarte Reihenfolge mit drei Einsätzen in der Reihe der Einsätze vom oberen bis unteren Ende des Werkzeugs auftreten kann.
  • Es kann jedoch ein allgemeiner Trend vorhanden sein, bei dem sich der Bohrungsdurchmesser von einem oberen Ende der Bohrung zum unteren Ende (beispielsweise in der Einführrichtung des Werkzeugs) verkleinert. Dementsprechend kann der Schneidradius des Werkzeugs so verstellt werden, dass dieser sich vom oberen Ende zum unteren Ende allgemein vergrößert. In einer Ausführungsform können die Schneideinsätze in der oberen Hälfte des Werkzeugs so verstellt werden, dass diese einen durchschnittlichen Schneidradius aufweisen, der kleiner ist als ein durchschnittlicher Schneidradius der Schneideinsätze in der unteren Hälfte des Werkzeugs. Wenn beispielsweise zehn Schneideinsätze entlang der Längsachse beabstandet angeordnet sind, kann ein durchschnittlicher Schneidradius der oberen fünf Einsätze kleiner sein als ein Durchschnitt der unteren fünf Einsätze. In einer weiteren Ausführungsform kann ein durchschnittlicher Schneidradius des oberen Drittels der Schneideinsätze so verstellt werden, dass dieser weniger als ein durchschnittlicher Schneidradius des unteren Drittels der Schneideinsätze beträgt. Das mittlere Drittel der Schneideinsätze kann so verstellt werden, dass dieses einen durchschnittlichen Schneidradius aufweist, der zwischen dem oberen und dem unteren Drittel liegt. Falls beispielsweise neun Schneideinsätze entlang der Längsachse beabstandet angeordnet sind, kann ein durchschnittlicher Schneidradius der oberen drei Einsätze kleiner sein als ein Durchschnitt der unteren drei Einsätze. In einem Beispiel kann ein durchschnittlicher Schneidradius der mittleren drei Einsätze kleiner sein als ein Durchschnitt der unteren drei Einsätze, jedoch größer als ein Durchschnitt der oberen drei Einsätze sein. Falls es sich bei der Anzahl der Schneideinsätze nicht um ein Mehrfaches von zwei oder drei handelt, kann die untere bzw. obere Hälfte oder das untere bzw. obere Drittel durch Abrunden bzw. Aufrunden definiert sein. Falls beispielsweise zehn Einsätze vorhanden sind, kann das obere bzw. untere Drittel jeweils drei Einsätze aufweisen.
  • Bezugnehmend auf 11 und 12 werden Versuchsdaten gezeigt, die eine verbesserte Maßhaltigkeit der Motorbohrungsdurchmesser bei der Verwendung von verstellbaren Schneideinsätzen aufzeigen. Bezugnehmend auf 11 wurden zunächst vier Bohrungen unter Verwendung eines Werkzeugs mit einem konstanten Schneidradius gefräst. Die Durchmesser der Bohrungen 1 bis 3 werden als Funktion der Bohrungstiefe von der Deckfläche aus gemessen in 11 gezeigt. Die Bohrung 4 wurde unter Verwendung eines Fräswerkzeugs, das verstellte Einsätze gemäß dem oben beschriebenen Verfahren aufweist, neu geschnitten, wobei gleiche Versätze mit umgekehrten Vorzeichen verwendet wurden. Um den Unterschied zu messen, wurde der interpolierte Fräsdurchmesser während des erneuten Schneidens der Bohrung 4 vergrößert. Wie in 11 gezeigt, ist bei den Bohrungen 1 bis 3 bei vergrößerter Bohrungstiefe eine allgemeine Verkleinerung des Bohrungsdurchmessers zu sehen (mit Ausnahme einiger, wie oben beschriebener, örtlichen Vergrößerungen). Bei den Bohrungen 1 bis 3 ist von oben nach unten ein Unterschied von ungefähr 60 µm im Durchmesser zu sehen, was eine erhebliche Verjüngung darstellt. Demgegenüber verbleibt die Bohrung 4 innerhalb eines Rahmens vom 40 µm, wobei kein allgemeiner Trend zur Verengung von oben nach unten zu sehen ist.
  • 12 zeigt Bohrungsdurchmesserdaten für 8 Bohrungen eines V8-Motors, die unter Verwendung eines Fräswerkzeugs, das verstellte Einsätze gemäß dem oben beschriebenen Verfahren aufweist, gefräst wurden, wobei gleiche Versätze mit umgekehrten Vorzeichen verwendet wurden. Wie gezeigt, wurden alle 8 Bohrungsdurchmesser so gesteuert, dass sie von oben nach unten innerhalb eines Rahmens von 20 µm liegen. Der oben beschriebene, herkömmliche dreistufige Bohrprozess steuert den Durchmesser im Allgemeinen ebenfalls so, dass der Durchmesser innerhalb 20 µm zu liegen kommt. Daher kann das offenbarte verstellbare Fräswerkzeug ermöglichen, dass sich der interpolierte Fräsprozess einer ähnlichen oder gar besseren Kontrolle über den Motorbohrungsdurchmesser annähert bzw. diese erzielt, während auch die anderen, oben offenbarten Vorteile (beispielsweise kürzere Taktzeiten, verminderter Werkzeugbereitstellungsaufwand, erhöhte Flexibilität) erzielt werden. Beispielsweise können die offenbarten Verfahren und Werkzeuge den Bohrungsdurchmesser bis innerhalb eines Rahmens von 25 µm oder weniger, wie etwa bis zu 20 µm, bis zu 15 µm oder bis 10 µm, steuern.
  • Zusätzlich zur Verjüngung kann eine weitere potentielle Herausforderung beim Fräsen (beispielsweise beim interpolierten Fräsen) von Motorbohrungen in der sich ergebenden Oberflächenrauheit der Bohrungswand liegen. Der dem Fräsprozess folgende Honprozess kann bei einer relativ rauen Oberfläche wirksamer sein. Der herkömmliche dreistufige Bohrprozess zum Erzeugen der Motorbohrung ergibt eine relativ raue Oberfläche, die ein wirksames nachfolgendes Honen ermöglicht. Aufgrund der Ausrichtung der Einsätze und der relativ langen glatten Schneidkanten auf jedem Einsatz ergibt ein Fräsen jedoch in der Regel eine glattere Oberfläche als ein Bohren. Fräseinsätze weisen allgemein einen Schneidkörper auf, der mit entfernbaren Einsätzen eines Werkzeugmaterials wie Wolframkarbid, kubischem Bornitrid oder Diamanten bestückt ist. Die Werkzeuge werden üblicherweise so montiert, dass eine Fläche parallel zur Werkzeugachse verläuft. Im Vergleich zum Bohren und ähnlichen internen spanabhebenden Bearbeitungsprozessen, wird beim Fräsen eine relativ glatte Oberflächengüte erzielt, wobei die durchschnittliche Rauheit in der Regel bei ungefähr 1 Mikrometer Ra liegt. Es hat sich herausgestellt, dass diese geringe Rauheit bei einigen Anwendungen, die für eine nachfolgende Bearbeitung wie etwa ein Honen eine Mindestrauheit erfordern, ein Seitenschneider-Fräsen erschweren oder ungeeignet erscheinen lassen. Beim Honen wird in der Regel eine minimale Rauheit benötigt, so dass die Schleifsteine ohne das Aufbringen eines übermäßigen Drucks auf den Stein schneiden, und/oder so dass sich den Honsteinen genügend Material bietet, um sich darin zu "verbeißen".
  • Bezugnehmend auf 13 wird ein Schneideinsatz 150 gezeigt, der im offenbarten Fräsprozess verwendet werden kann. Der Schneideinsatz 150 kann eine Schneidkante 152 aufweisen. Gegenüber den Schneidkanten herkömmlicher Fräswerkzeuge, die glatt und flach sind, kann die Schneidkante 152 relativ rau oder strukturiert sein. Eine Schneidkante eines herkömmlichen Fräsers weist beispielsweise in der Regel eine mittlere Rauheit (Rz) von weniger als 6 µm auf. Die mittlere Rauheit kann durch Messen des senkrechten Abstands von der höchsten Spitze bis zum tiefsten Graben innerhalb einer gewissen Anzahl von Prüflängen, beispielsweise fünf Prüflängen, berechnet werden. Der Rz-Wert wird dann durch Berechnen des Mittelwerts dieser Abstände bestimmt. Bei der mittleren Rauheit wird der Mittelwert lediglich einer gewissen Anzahl (beispielsweise fünf) der höchsten Spitzen und der tiefsten Gräben berücksichtigt, was zur Folge hat, dass die Extremwerte (beispielsweise im Vergleich zur durchschnittlichen Rauheit Ra) einen größeren Einfluss auf den Rz-Wert ausüben. Der Rz-Wert kann gemäß der ASME-Norm B46-1 definiert sein.
  • Die Schneidkante 152 des Schneideinsatzes 150 kann eine größere Rauheit (beispielsweise mittlere Rauheit) aufweisen als Schneidkanten herkömmlicher Fräseinsätze. In einer Ausführungsform kann die Schneidkante 152 eine mittlere Rauheit (Rz) von mindestens 5 µm, beispielsweise mindestens 7,5 µm, 10 µm, 12 µm oder 15 µm, aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Schneidkante 152 eine mittlere Rauheit (Rz) von 7 bis 30 µm, oder jeden Teilbereich davon wie etwa 7 bis 25 µm, 10 bis 25 µm, 12 bis 25 µm, 10 bis 20 µm oder 12 bis 20 µm, aufweisen.
  • Die Oberflächenrauheit der Schneidkante 152 kann in dem zu fräsenden Objekt (beispielsweise einer Motorbohrung) eine ähnliche entsprechende Oberflächenrauheit erzeugen. Dementsprechend kann ein Schneideinsatz 150 mit einer Schneidkante 152 mit einer mittleren Rauheit (Rz) von 12 bis 20 µm eine Motorbohrungswand mit einer mittleren Rauheit (Rz) von 12 bis 20 µm erzeugen. In einer Ausführungsform kann der Schneideinsatz 150 mit der relativ rauen Schneidkante 152 während des oben beschriebenen interpolierten Fräsprozesses verwendet werden, um vor dem Honen eine relativ raue, gefräste Motorbohrung zu erzeugen. Die relativ raue Schneidkante 152 kann nur in einem abschließenden Fräsdurchgang bzw. -umlauf verwendet werden, um die rauere Oberfläche für das Honen zu erzeugen. Die Schneidkante 152 kann jedoch auch für irgendeinen oder alle Fräsdurchgänge vor dem abschließenden Durchgang verwendet werden.
  • In 13 wird die strukturierte Schneidkante 152 mit einer allgemein sinusförmigen Form bzw. einem allgemein sinusförmigen Profil gezeigt; es kann jedoch jedes geeignete Profil verwendet werden, das die offenbarte Oberflächenrauheit ergibt. Bezugnehmend auf 14A bis 14D werden Beispiele von Formen oder Profilen einer strukturierten Schneidkante gezeigt. 14A zeigt ein sinusförmiges Profil 160, 14B zeigt ein rechteckförmiges Wellenprofil 162, 14C zeigt ein dreieckförmiges Wellenprofil 164 und 14D zeigt ein Sägezahnprofil 166. Die Schneidkante eines Schneideinsatzes kann mit einem oder mehreren dieser Profile erzeugt werden, wobei verschiedene Schneideinsätze Schneidkanten mit unterschiedlichen Profilen aufweisen können. Während die Profile 160 bis 166 in einer schematischen Idealform gezeigt werden, können die Profilformen weniger präzise und allgemeiner ausgeführt sein.
  • In einer Ausführungsform können die Profile der Schneidkanten, die zum Kontakt mit dem gleichen Bereich (beispielsweise in einer gewissen Höhe bzw. einem Höhenbereich in einer Motorbohrung) ausgebildet sind, versetzte oder zueinander versetzte Spitzen und Gräben aufweisen. Mit Spitzen können Ausprägungen über einem Mittelwert der Oberflächenrauheit bezeichnet werden, und mit Gräben können Vertiefungen unter dem Mittelwert der Oberflächenrauheit bezeichnet werden. Durch das versetzte Anordnen der Spitzen und Gräben des Schneidkantenprofils können dementsprechend weniger extreme Oberflächenabweichung in der sich ergebenden Oberfläche ausgebildet werden. Falls die Schneideinsätze beispielsweise in Reihen mit der gleichen Anzahl von Einsätzen in jeder Reihe angeordnet sind, können dann mindestens zwei Einsätze, die auf der gleichen Höhe bzw. Position in der Reihe (beispielsweise als dritte Einsätze von oben) angeordnet sind, zueinander versetzte oder versetzte Spitzen und Gräben aufweisen.
  • Die Schneideinsätze mit relativ rauen Schneidkanten können unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens erzeugt werden. Die Schneidkanten können mit der ursprünglich erhöhten Oberflächenrauheit bzw. dem Oberflächenprofil ausgebildet sein, oder die erhöhte Rauheit bzw. das Profil kann in einem späteren Schritt bereitgestellt werden. Falls später bereitgestellt, kann die erhöhte Rauheit unter Verwendung jedes geeigneten Prozesses erzeugt werden. In einer Ausführungsform kann die erhöhte Rauheit durch ein funkenerosives Bohrverfahren (EDM) erzeugt werden, das auch als Funkenerosionsverfahren oder unter anderen Bezeichnungen bekannt sein kann. EDM umfasst in der Regel eine Reihe von sich schnell wiederholenden Stromentladungen zwischen einer Werkzeugelektrode und einer Werkstückelektrode, die durch eine dielektrische Flüssigkeit voneinander getrennt sind und einer Stromspannung unterliegen. Wenn die Elektroden zusammengeführt werden, wird das elektrische Feld zwischen den Elektroden stärker als das Dielektrikum, wobei dieses auseinanderbricht und einen Stromfluss ermöglicht, so dass Material von beiden Elektroden abgetragen wird. Um ein gewisses Profil bzw. eine gewisse Geometrie zu erzeugen, kann das EDM-Werkzeug sehr nah an dem Werkstück entlang einem gewünschten Pfad (beispielsweise der Schneidkante) geführt werden.
  • Es können auch andere "nicht mechanische" Verfahren wie etwa ein elektrochemisches Bearbeiten (ECM), Wasserstrahlschneiden und/oder Laserschneider verwendet werden, um die Oberflächenrauheit und/oder das Profil zu erzeugen. Es können jedoch auch mechanische Verfahren wie etwa Schleifen mit einer Schleifscheibe oder Polieren mit einer Schleifbürste verwendet werden. Die Schneidkante kann mit einer Korngröße, die der gewünschten Rauheit der Schneidkante entspricht, wie etwa mindestens 5 µm, 7,5 µm, 10 µm, 12µm oder 15µm, geschliffen oder poliert werden. In einer Ausführungsform kann die Schneidkante mit einer Diamantschleifschiebe mit einer Korngröße von mindestens 5 µm, 7,5 µm, 10 µm, 12 µm oder 15 µm flankenpoliert bzw. flankengeschliffen werden.
  • Zusätzlich oder alternativ zum Rauen oder Strukturieren der Schneidkanten der Schneideinsätze zum Erzeugen einer raueren Motorbohrungswand, kann der Einsatz angewinkelt oder schräg angestellt werden, um das gleiche oder ein ähnliches Ergebnis (beispielsweise eine höhere Rauheit) bereitzustellen. Bezugnehmend auf 15 wird ein an einen Fräserkörper 172 gekoppelter, angewinkelter Fräser-Schneideinsatz 170 gezeigt. Der angewinkelte Einsatz 170 kann eine Schneidkante 174 mit einer Ausrichtung aufweisen, die zu einer Längsachse 176 des Fräserkörpers 172 schräg (beispielsweise nicht parallel oder senkrecht) verläuft. Ein oder mehrere der an den Fräserkörper 172 gekoppelten Schneideinsätze, beispielsweise alle Schneideinsätze, können einen angewinkelten Schneideinsatz aufweisen. Wenn sich der Fräserkörper um die Längsachse 176 dreht, können die Schneidkanten 174 dementsprechend entlang einer Höhe der Schneidkanten verschiedene Mengen an Material abtragen, was eine höhere Oberflächenrauheit ergibt.
  • In einer Ausführungsform kann der Winkel bzw. die Schräge der Schneidkante 174 als eine Stufenhöhe 178 ausgedrückt werden, die als Unterschied des Schneidradius von einem Ende der Schneidkante zum anderen Ende (beispielsweise wie in 15 gezeigt) definiert ist. Die Stufenhöhe kann zum Bilden einer mittleren Oberflächenrauheit (Rz) (von beispielsweise mindestens 5 µm, 10 µm usw.), wie oben im Zusammenhang mit den strukturierten Einsätzen beschrieben, ausgebildet sein. In einer Ausführungsform kann die Stufenhöhe mindestens 5 µm, 7,5 µm, 10 µm, 15 µm, 20 µm, 25 µm oder 30 µm betragen. Beispielsweise kann die Stufenhöhe 5 bis 30 µm oder jeden dazwischenliegenden Bereich wie etwa 7 bis 25 µm, 7 bis 20 µm, 7 bis 15 µm, 10 bis 20 µm oder 12 bis 20 µm betragen. Während der angewinkelte Einsatz 170 mit einem oberen Schneidradius gezeigt wird, der größer als ein unterer Schneidradius ist, kann die Konfiguration auch umgekehrt sein. In einer Ausführungsform kann jeder Schneideinsatz (bzw. jeder Schneideinsatz mit einer Stufenhöhe) jeweils die gleiche Stufenhöhe aufweisen. In einigen Ausführungsformen können jedoch Einsätze mit mehreren unterschiedlichen Stufenhöhen vorhanden sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Winkel bzw. die Schräge der Schneidkante 174 als ein Versatzwinkel 180 ausgedrückt sein, der als Versatzwinkel von der Längsachse 176 des Fräserkörpers (beispielsweise von der Vertikalen) definiert ist. Der Versatzwinkel kann, wie in 15 gezeigt, zur Übersichtlichkeit übertrieben dargestellt sein. Ähnlich wie die Stufenhöhe kann der Versatzwinkel 180 zum Bilden einer mittleren Oberflächenrauheit (Rz) (von beispielsweise mindestens 5 µm, 10 µm usw.), wie oben im Zusammenhang mit den strukturierten Einsätzen beschrieben, ausgebildet sein. In einer Ausführungsform kann der Versatzwinkel 180 0,01 bis 0,5 Grad oder jeden Teilbereich davon betragen. Beispielsweise kann der Versatzwinkel 180 0,01 bis 0,3 Grad, 0,01 bis 0,2 Grad, 0,03 bis 0,2 Grad oder 0,05 bis 0,1 Grad betragen. In einer Ausführungsform kann jeder Schneideinsatz (bzw. jeder Schneideinsatz mit einem Versatz) jeweils den gleichen Versatzwinkel aufweisen. In einigen Ausführungsformen können jedoch Einsätze mit mehreren unterschiedlichen Versatzwinkeln vorhanden sein.
  • Jeder geeignete Mechanismus lässt sich zum Versetzen oder Erzeugen der Stufenhöhe in der Schneidkante 174 verwenden. In der in 15 gezeigten Ausführungsform wird ein Mechanismus gezeigt, der demjenigen ähnlich ist, der mit Bezugnahme auf 9 und 10 gezeigt und beschrieben worden ist. Der Mechanismus in 15 kann jedoch statt einer zwei Verstellschrauben 182 aufweisen. Beide Verstellschrauben 182 können voneinander beabstandet angeordnet und sich verjüngend ausgebildet sein, so dass diese jeweils an ihrem oberen Ende einen größeren und an ihrem unteren Ende einen kleineren Durchmesser aufweisen. Die Verstellschrauben 182 können in einem Gewindeabschnitt im Körper 172 aufgenommen und zu einem Verstellglied 184 benachbart angeordnet sein. Das Verstellglied 184 kann zum Schneideinsatz 170 benachbart angeordnet und zur Berührung durch die Verstellschrauben 182 ausgebildet sein. Das Verstellglied 184 kann als eine Wand, die benachbart zum Schneideinsatz 170 angeordnet ist, ausgebildet sein und eine Seite des Schneideinsatzes 170 berühren.
  • Ähnlich der oben beschriebenen Konfiguration mit einer einzigen Schraube, kann der Versatz des Schneideinsatzes 170 durch die Bewegung des Verstellglieds 184 (beispielsweise einer Wand) über eine Drehung der Verstellschrauben 182 mechanisch verstellt werden. Vor dem Festlegen des Schneideinsatzes 170 an der Anbringungsfläche des Fräserkörpers 172 durch ein Befestigungsmittel können die Verstellschrauben 182 so gedreht werden, dass diese tiefer in das Gewinde im Gewindeabschnitt des Körpers 172 hineingedreht oder dass diese aus dem Gewinde im Gewindeabschnitt herausgedreht oder abgeschraubt werden. Wenn die Verstellschrauben 182 jeweils tiefer in das Gewinde hineingedreht werden, berührt der sich verjüngende Durchmesser der jeweiligen Schraube das Verstellglied 184 und drückt dieses so, dass es sich radial nach außen durchbiegt. Falls die Verstellschraube 182 aus dem Gewinde herausgedreht oder abgeschraubt wird, beendet der sich verjüngende Durchmesser der Schraube die Kraftbeaufschlagung des Verstellglieds 184 oder beaufschlagt eine geringere Kraft, so dass das Verstellglied 184 teilweise oder vollständig in seine nicht durchgebogene Form zurückkehren kann.
  • Durch jeweiliges Verstellen der Verstellschrauben 182 auf unterschiedliche Tiefen, oder durch Durchbiegen des Verstellglieds 184 um unterschiedliche Werte entlang dessen Länge, kann der Schneideinsatz 170 über die Anbringungsfläche verschoben werden, um einen Winkel bzw. einen Versatz des Schneideinsatzes 170 zu verstellen. Die Verstellung kann kontrolliert und wiederholbar erfolgen. Beispielsweise kann der Winkel bzw. Versatz aufgrund der Anzahl von Drehungen der jeweiligen Verstellschraube 182 (beispielsweise nach innen oder außen) stufenweise gesteuert werden. Während 15 ein Beispiel eines Verstellmechanismus für den Winkel bzw. den Versatz zeigt, kann jeder geeignete Verstellmechanismus für eine kontrollierte und zuverlässige Veränderung des Winkels bzw. des Versatzes eines Schneideinsatzes verwendet werden.
  • Die offenbarten Fräsverfahren zum Bilden von Motorbohrungen können nebst anderen Vorteilen die Taktzeiten vermindern (beispielsweise im Vergleich zum Bohren), die Flexibilität erhöhen, die Werkzeugbereitstellungskosten vermindern sowie die Werkzeug- und Maschinenausrüstungen vermindern. Motorbohrungen lassen sich mit einem Bruchteil der Zeit fräsen, die gegenwärtig zum Bohren verwendet wird; beispielsweise dauert ein Fräsprozess mit drei Durchgängen weniger als 15 Sekunden, bzw. ein Fräsprozess mit zwei Durchgängen weniger als 10 Sekunden. Dies kann Taktzeiten vermindern sowie eine höhere Produktionsleistung mit weniger Ausrüstung oder eine ähnliche Produktionsleistung mit weniger Ausrüstung ermöglichen. Das gleiche Fräswerkzeug lässt sich beim Erzeugen einer Bohrung für jeden Fräsdurchgang und für mehrere unterschiedliche Bohrungsgeometrien verwenden. Der Fräsprozess ist somit viel flexibler als Bohren, wofür bei jedem präzisen Bohrungsdurchmesser ein separates Werkzeug benötigt wird. Die erhöhte Flexibilität kann eine erhebliche Verminderung der Werkzeugbereitstellungskosten bei mehreren Motorblockkonstruktionen ermöglichen, indem die Anzahl benötigter Werkzeuge drastisch vermindert wird. Eine höhere Flexibilität und eine geringere Anzahl von Werkzeugen ermöglichen daher, dass weniger Bearbeitungszentren die gleiche Anzahl von Motorblockkonfigurationen produzieren. Ein Fräsen, das mit einem modifizierten Vorhonprozess kombiniert ist, kann auch den dem Prozess nachfolgenden Messwerkzeug- und Durchmesserverstellkopf mit geschlossenem Regelkreis eliminieren, der zum Abschlussbohren erforderlich ist. Zudem kann ein trockenes Fräsen erfolgen, während beim Bohren ein großvolumiger Auftrag eines temperierten Kühlmittels erforderlich ist.
  • Die offenbarten, verstellbaren Einsatzfräswerkzeuge und/oder die angewinkelten oder schräg angestellten Schneideinsätze können in den offenbarten Fräsprozessen verwendet werden, sind jedoch dazu nicht erforderlich. Die verstellbaren Einsätze können eine Verminderung oder eine Eliminierung der Verjüngung ermöglichen, die während des Fräsprozesses auftreten kann. Dies kann den Vorhonschritt beim Fräsprozess erleichtern, indem die Honkraft und/oder die Steinkorngröße, die zur Eliminierung der Verjüngung und zum Erzeugen einer zylinderförmigen Bohrung erforderlich sind, vermindert werden. Die angewinkelten Schneideinsätze können den Vorhonschritt auch erleichtern, indem die Oberflächenrauheit der Motorbohrung während des abschließenden Fräsdurchgangs erhöht wird. Dadurch lässt sich die Honkraft während des Vorhonens vermindern. Die vorliegend offenbarten Fräsprozesse und -werkzeuge lassen sich beim Bilden einer Motorbohrung verwenden; sie lassen sich jedoch auch beim Bilden jeglicher allgemein zylinderförmigen Öffnung für jegliche Anwendung verwenden.
  • Obgleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen dienen die in der Patentschrift verwendeten Ausdrücke der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • ASME-Norm B46-1 [0070]

Claims (20)

  1. Verfahren umfassend: Einführen eines Fräswerkzeugs mit mehreren Schneidkanten entlang einer Längsachse in eine Motorbohrung; Rotieren des Fräswerkzeugs um die Längsachse und Bewegen des Fräswerkzeugs um eine Umfangslänge der Motorbohrung zum Abtragen von Material von der Motorbohrung und zum Bilden einer sich verjüngenden Bohrung; und Vorhonen der sich verjüngenden Bohrung, um einen minimalen Durchmesser der sich verjüngenden Bohrung um mindestens 60 µm zu vergrößern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Rotationsschritt das Bewegen des Fräswerkzeugs um eine Umfangslänge der Motorbohrung um zwei oder mehr Umläufe umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein erster der zwei oder mehr Umläufe einen Vorfrässchritt umfasst und ein zweiter der zwei oder mehr Umläufe einen Ausfrässchritt umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Rotationsschritt drei Umläufe umfasst, die einen ersten Vorfrässchritt, einen zweiten Ausfrässchritt und einen dritten Abschlussfrässchritt umfassen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Motorbohrung in einer Gusseisen-Zylinderlaufbuchse gebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Gesamtzeit des Rotationsschritts und des Vorhonschritts weniger als 60 Sekunden beträgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Gesamtzeit des Rotationsschritts weniger als 20 Sekunden beträgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorhonschritt das Honen der sich verjüngenden Bohrung unter Verwendung einer Korngröße von mindestens 200 µm umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorhonschritt das Honen der sich verjüngenden Bohrung unter Verwendung einer Honkraft von mindestens 200 kgf umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorhonschritt einen minimalen Durchmesser der sich verjüngenden Bohrung um mindestens 75 µm vergrößert.
  11. Verfahren umfassend: Erzeugen einer ersten kegelstumpfförmigen Bohrung mit Durchmessern eines engen und eines weiten Endes ausgehend von einer Motorbohrung über einen ersten interpolierten Fräsdurchgang; Erzeugen einer zweiten kegelstumpfförmigen Bohrung mit Durchmessern eines engen und eines weiten Endes ausgehend von der ersten kegelstumpfförmigen Bohrung über einen oder mehrere zusätzliche interpolierte Fräsdurchgänge; und Vorhonen der zweiten kegelstumpfförmigen Bohrung, um den Durchmesser des zweiten engen Endes um mindestens 55 µm zu vergrößern.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die zweite kegelstumpfförmige Bohrung durch einen oder zwei interpolierte Fräsdurchgänge erzeugt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Gesamtzeit des ersten interpolierten Fräsdurchgangs und des einen oder der mehreren zusätzlichen interpolierten Fräsdurchgänge weniger als 20 Sekunden beträgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Vorhonschritt den Durchmesser des zweiten engen Endes um mindestens 75 µm vergrößert.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erste interpolierte Fräsdurchgang und der eine oder die mehreren zusätzlichen interpolierten Fräsdurchgänge ein einziges Fräswerkzeug verwenden.
  16. Verfahren umfassend: einen ersten interpolierten Fräsdurchgang, der einen Durchmesser einer Motorbohrung auf einen zweiten Durchmesser vergrößert; einen oder mehrere zusätzliche interpolierte Fräsdurchgänge, die den Durchmesser der Motorbohrung auf einen dritten Durchmesser vergrößern; und Vorhonen der Motorbohrung, um eine zylinderförmige Motorbohrung zu erzeugen; wobei eine Gesamtzeit aller interpolierten Fräsdurchgänge und des Vorhonens weniger als 60 Sekunden beträgt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Gesamtzeit aller interpolierten Fräsdurchgänge und des Vorhonens weniger als 55 Sekunden beträgt.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine Gesamtzeit des ersten interpolierten Fräsdurchgangs und des einen oder der mehreren zusätzlichen interpolierten Fräsdurchgänge weniger als 20 Sekunden beträgt.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Vorhonschritt das Honen der Motorbohrung unter Verwendung einer Korngröße von mindestens 200 µm umfasst.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Vorhonschritt das Honen der Motorbohrung unter Verwendung einer Honkraft von mindestens 200 kgf umfasst.
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