DE102016216926B4

DE102016216926B4 - Schneidelement, Werkzeug und Verfahren zum Erzeugen einer wendelförmig verlaufenden, trapezförmig hinterschnittenen Rille in einer zylindrischen Oberfläche einer Bohrung

Info

Publication number: DE102016216926B4
Application number: DE102016216926.2A
Authority: DE
Inventors: Michael DUCK; Bernhard Gand; Michael Müller; Christoph Mörz
Original assignee: Guehring KG
Current assignee: Guehring KG
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2036-09-08
Also published as: US10710178B2; US20180065197A1; CN107790759B; DE102016216926A1; CN107790759A

Abstract

Schneidelement (34) für ein Werkzeug zum Erzeugen einer wendelförmig verlaufenden, trapezförmig hinterschnittenen Rille (52) in einer zylindrischen Oberfläche einer Bohrung, mit:mehreren Rillenschneidzähnen (54-2 bis 54-8) zum Erzeugen einer im Querschnitt symmetrischen Rille (52), die mit einer auf die Ganghöhe (S) der zu erzeugenden Rille (52) abgestimmten Teilung in Reihe angeordnet sind, und die wenigstens einen Vorbearbeitungszahn (54-2 bis 54-4) zum Erzeugen und Bearbeiten einer Basisrille und mehrere, dem wenigstens einen Vorbearbeitungszahn (54-2 bis 54-4) folgende Trapezzähne (54-5 bis 54-8) aufweisen, die im Querschnitt ein sich in Zahnhöhenrichtung trapezförmig erweiterndes Zahnkopfprofil mit zwei einen Flankenwinkel begrenzenden Flanken (54-5F; 54-6F) haben, zum Weiterbearbeiten der Basisrille auf einen trapezförmig hinterschnittenen Endquerschnitt, dadurch gekennzeichnet, dassder wenigstens eine Vorbearbeitungszahn (54-2 bis 54-4) und alle Trapezzähne (54-5 bis 54-8) ein im Querschnitt symmetrisches Zahnkopfprofil haben, undder durch die beiden Flanken (54-5F; 54-6F) des trapezförmigen Zahnkopfprofils begrenzte Flankenwinkel von wenigstens einem Trapezzahn (54-5) auf einen nachfolgenden Trapezzahn (54-6) auf ein definiertes Endmaß zunimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneidelement, ein Werkzeug und ein Verfahren zum Erzeugen einer wendelförmig verlaufenden, trapezförmig hinterschnittenen Rille in einer zylindrischen Oberfläche einer Bohrung.
Es ist hinlänglich bekannt, dass tribologisch hoch beanspruchte Oberflächen metallischer Werkstücke, z. B. der Kolbenlaufflächen von Zylinderlaufbuchsen oder Zylinderbohrungen in Zylinderkurbelgehäusen, mechanisch aufgeraut werden, um eine gute Haftgrundlage für eine insbesondere durch thermisches Spritzen aufzutragende Oberflächenschicht zu erhalten.
So wird beispielsweise in der WO 2010/015229 A1 vorgeschlagen, eine zylindrische Oberfläche eines Aluminiumgussteils mittels eines Folgewerkzeugs spanabhebend zu bearbeiten, indem ein Rillenquerschnitt sukzessive mit nacheinander in Eingriff kommenden spanabhebenden Zähnen auf Endmaß bearbeitet wird. Das hierzu angegebene Werkzeug ist als ein Folgewerkzeug mit einem als Aufbohrzahn bezeichneten ersten Zahn zum Aufbohren der zylindrischen Oberfläche auf einen vorgegebenen Nenndurchmesser, mehreren, dem Aufbohrzahn folgenden Schneidzähnen zum Erzeugen und Bearbeiten einer Rille sowie einem als Verdrängerzahn bezeichneten nicht schneidenden Formzahn ausgebildet. Die Schneidzähne, die kammartig in Reihe mit einer Teilung angeordnet sind, die der Ganghöhe der zu erzeugenden wendelförmig verlaufenden Rille entspricht, weisen unter anderem mehrere Vorbearbeitungszähne zum Erzeugen und sukzessiven Bearbeiten einer Basisrille und mehrere, den Vorbearbeitungszähnen folgende Trapezzähne zum sukzessiven Weiterbearbeiten der Basisrille auf einen trapezförmig hinterschnittenen Endquerschnitt auf. Die im Querschnitt unsymmetrisch geformten Trapezzähne verbreitern eine zuvor durch die Vorbearbeitungszähne erzeugte Basisrille sukzessive in der Weise, dass sie die Basisrille zunächst auf der einen Flanke und dann auf der anderen Flanke so hinterschneiden, dass ein gewünschter trapezförmig hinterschnittene Endquerschnitt erhalten wird. Der trapezartig hinterschnittene Endquerschnitt gewährleistet eine mechanische Verklammerung zwischen einer im thermischen Spritzen auf die zylindrische Oberfläche aufgetragenen Schicht und dem die zylindrische Oberfläche aufweisenden Aluminiumgussteil. Die sukzessive einseitige Rillenflankenbearbeitung mittels der im Querschnitt unsymmetrischen Trapezzähne soll sicherstellen, dass es auf Seiten des Werkzeugs nicht zu sogenannten „Aufschmierungen“ kommt, die bei der Bearbeitung verhältnismäßig weicher Materialien, z. B. Aluminium, für Formungenauigkeiten der zu erzeugenden Rillenstruktur verantwortlich waren.
Die DE 10 2014 119 514 A1 kritisiert, dass bei den in der vorstehend beschriebenen Weise erzeugten Rillen oberflächenseitig verlaufende Kanten relativ dünn ausgebildet seien, so dass an diesen Stellen eine Rissbildung in der aufzubringenden Schicht auftreten könne, und dass aufgrund der durch die Kanten bedingten Werkzeuggeometrien das Risiko gegeben sei, dass zumindest Bereiche der Zähne ausbrechen können. Um diese Probleme zu vermeiden, schlägt die DE 10 2014 119 514 A1 ein Verfahren vor, bei dem mittels eines spanabhebenden Werkzeugs, das mehrere Schneidzähne mit voneinander abweichenden symmetrischen Querschnitten aufweist, in einer zylindrischen Oberfläche eines Werkstücks zunächst eine wendelförmig verlaufende Basisrille erzeugt wird, die dann sukzessive auf einen trapezförmig hinterschnittenen Querschnitt bearbeitet wird. Konkret wird vorgeschlagen, mit zumindest einem ersten Schneidzahn die Basisrille mit zu von der Oberfläche ausgehenden Normalen geneigt verlaufenden Begrenzungsflächen zur Bildung einer ersten symmetrischen vorläufigen Rillengeometrie einer Tiefe erzeugt wird, die geringer als Tiefe der Rille in ihrer endgültigen Rillengeometrie ist; mit zumindest einem zweiten Schneidzahn die Basisrille in Verlängerung der Begrenzungsflächen bis zum oder in etwa bis zum Rillengrund der Rille in ihrer endgültigen Rillengeometrie zur Erzeugung einer zweiten vorläufigen Rillengeometrie bearbeitet wird; zur Bildung von Fasen der Rille in ihrer endgültigen Rillengeometrie mit zumindest einem dritten Schneidzahn gleichzeitig Bereiche zur Erzeugung einer dritten vorläufigen Rillengeometrie entfernt werden, die jeweils zwischen Rillengrund und von einer durch den Rillengrund aufgespannten Geraden ausgehenden und die Begrenzungsflächen jeweils in einem Punkt schneidenden Normalen verlaufen, durch den gewünschte Länge der Fase bestimmt wird; und mit zumindest einem vierten Schneidzahn gleichzeitig der Rillengrund und die Flanken der Hinterschnitte der Rille in ihrer endgültigen Rillengeometrie erzeugt werden.
Das in der DE 10 2014 119 514 A1 vorgeschlagenen Verfahren ist wie das in der WO 2010/015229 A1 vorgeschlagene Verfahren oder Werkzeug für die Bearbeitung einer zylindrischen Oberfläche insbesondere eines Aluminiumgussteils konzipiert. Auf die Bearbeitung anderer Werkstoffe wird in den oben diskutierten Druckschriften dagegen nicht eingegangen. Zylinderlaufbuchsen oder Zylinderkurbelgehäuse von Verbrennungsmotoren sind häufig aber auch aus Gusseisenwerkstoffen, z. B Grauguss, hergestellt. Gusseisen, z. B. Grauguss, unterscheidet sich in der Zerspanbarkeit und Spanbildung jedoch von der Aluminiumbearbeitung. So entstehen bei der Zerspanung von Gusseisen, z.B. Grauguss, Reißspäne (auch Bröckelspäne genannt), die aus dem Werkstück herausgerissen werden. Durch das Herausreißen der Späne ist die Oberfläche des Werkstücks nach der Bearbeitung undefiniert rau. Die in den oben diskutierten Druckschriften angegebenen, für die Bearbeitung von Aluminiumgussteilen entwickelten Werkzeuge und Verfahren eignen sich jedoch nur bedingt oder überhaupt nicht für die spanabhebende Bearbeitung von Gusseisenwerkstoffen. Für die Zerspanung von Gusseisen, z.B. Grauguss, sind vielmehr spezielle Schneidprofile erforderlich.
Die Druckschriften DE 10 2009 028 040 A1 und DE 10 2012 021 089 A1 offenbaren weitere Werkzeuge zum Ausbilden von Hinterschneidungen in zylindrischen Oberflächen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schneidelement und ein Verfahren zum Erzeugen einer wendeiförmig verlaufenden, trapezförmig hinterschnittenen Rille mit einer definierten Mikro- und Makrostruktur in einer zylindrischen Oberfläche einer Bohrung in einem Gusseisen-, im Besonderen Grauguss-, Werkstück oder einer gusseisernen Buchse, insbesondere Graugussbuchse in einem Aluminiumgehäuse, im Besonderen einer zylindrischen Oberfläche, welche nach einer Beschichtung die Kolbenlauffläche einer Zylinderlaufbuchse aus Grauguss oder einer Zylinderbohrung in einem Zylinderkurbelgehäuse aus Grauguss eines Verbrennungsmotors bereitstellt.
Diese Aufgabe wird durch ein Schneidelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 bzw. ein Verfahren nach dem Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Schneidelements sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßes Schneidelement, das für die Bearbeitung einer zylindrischen Oberfläche einer Bohrung in einem Gusseisen-, im Besonderen Grauguss-, Werkstück, im Besonderen einer zylindrischen Oberfläche, welche nach einer Beschichtung die Kolbenlauffläche einer Zylinderlaufbuchse aus Grauguss oder einer Zylinderbohrung in einem Zylinderkurbelgehäuse aus Grauguss eines Verbrennungsmotors bereitstellt, hat mehrere Rillenschneidzähne zum Erzeugen einer wendelförmig verlaufenden, im Querschnitt symmetrischen, trapezförmig hinterschnittenen Rille. Die Rillenschneidzähne sind daher mit einer auf die Ganghöhe der zu erzeugenden Rille abgestimmten Teilung, z.B. mit einer dem Zweifachen (oder einem beliebigen ganzzahligen Vielfachen) der Ganghöhe entsprechenden Teilung, in Reihe angeordnet. Ein gewünschter Rillenquerschnitt wird daher sukzessive mit nacheinander in Eingriff kommenden spanabhebenden oder auch nicht spanabhebenden (redundanten) Rillenschneidzähnen erzeugt und auf Endmaß bearbeitet. Die Rillenschneidzähne weisen wenigstens einen Vorbearbeitungszahn zum Erzeugen und Bearbeiten einer Basisrille und mehrere, dem wenigstens einen Vorbearbeitungszahn folgende Trapezzähne auf, die ein im Querschnitt symmetrisches, sich in Zahnhöhenrichtung trapezförmig erweiterndes Zahnkopfprofil mit zwei einen Flankenwinkel begrenzenden Flanken haben, zum Weiterbearbeiten der Basisrille auf einen gewünschten trapezförmig hinterschnittenen Endquerschnitt. Der wenigstens eine Vorbearbeitungszahn und alle Trapezzähne haben ein im Querschnitt symmetrisches Zahnkopfprofil. Erfindungsgemäß nimmt der durch die beiden Flanken des Trapezprofils begrenzte Flankenwinkel von wenigstens einem Trapezzahn auf einen nachfolgenden Trapezzahn auf ein definiertes Endmaß zu.
Mit dem erfindungsgemäßen Schneidelement werden unter Zuhilfenahme geometrisch bestimmter Schneidzähne die beiden Flanken einer in einer zylindrischen Oberfläche eingebrachten Basisrille gleichzeitig, aber in der Weise bearbeitet, dass der zwischen den Flanken eingeschlossene Flankenwinkel sukzessive, d.h. in wenigstens zwei Schneidschritten, auf ein definiertes Endmaß vergrößert wird, wobei sich die bearbeiteten Flanken mit dem sukzessive vergrößerten Flankenwinkel bis zur zylindrischen Oberfläche erstrecken. Durch die mittels geometrisch bestimmter Schneidzähne sukzessive erfolgende spanabhebende Bearbeitung der zylindrischen Oberfläche in einem Werkstück aus Gusseisen, im Besonderen Grauguss, kann der Materialabtrag an den beiden Rillenflanken je Rillenschneidzahn gering gehalten werden. Die dabei entstehenden Reißspäne sind also klein, wodurch weniger raue Zerspanungsflächen erhalten werden, als wenn die beiden Rillenflanken in einem Schritt bearbeitet werden. Dadurch kann ein Rillenquerschnitt mit einer hohen Reproduzierbarkeit sichergestellt werden.
Die Trapezzähne haben ein sich in Zahnhöhenrichtung trapezförmig erweiterndes Zahnkopfprofil. Die Zahnhöhe wird gegenüber einer zur Achse der zu erzeugenden Rille parallelen Bezugsebene am Schneidelement, beispielsweise einer gemeinsamen Zahnfußebene, gemessen. „in Zahnhöhenrichtung trapezförmig erweiternd“ bedeutet daher, dass sich das Querschnittsprofil der Trapezzähne in entgegengesetzter Richtung, d.h. zu der Bezugsebene am Schneidelement hin oder in eine Richtung vom Zahnkopf zum Zahnfuß, verjüngt. Durch das sich in Zahnhöhenrichtung trapezförmig erweiternde Zahnkopfprofil werden in der zylindrischen Oberfläche trapezförmig hinterschnittene Rillenquerschnitte mit positiven Hinterschnittwinkeln erzeugt.
Damit unterscheidet sich ein erfindungsgemäßes Schneidelement von einem in der WO 2010/015229 A1 oder DE 10 2014 119 514 A1 vorgeschlagen Werkzeug, mit dem die beiden Flanken der Basisrille entweder nacheinander bearbeitet werden oder gleichzeitig in der Weise, dass der Flankenwinkel in einem Schneidschritt auf Endmaß erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Schneidelement hat im Unterschied zu dem aus der WO 2010/015229 A1 bekannten Werkzeug des Weiteren ausschließlich Schneidzähne, also Zähne für eine spanabhebende Bearbeitung, von denen alle Trapezzähne und die Vorbearbeitungszähne ein geometrisch abbildendes symmetrisches Querschnittsprofil aufweisen. Es haben daher sämtliche Rillenschneidzähne ein im Querschnitt symmetrisches Zahnkopfprofil.
Durch die sukzessive Vergrößerung des Flankenwinkels der Trapezzähne, was einer sukzessiven Verbreiterung des Querschnitts der Trapezzähne gleichkommt, können bei der Zerspanung der zylindrischen Oberfläche die auf die Zähne einwirkenden Kräfte gut kontrolliert werden, was zu einer hohen Reproduzierbarkeit eines gewünschten Rillenquerschnitts beiträgt.
In ersten Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass mit dem erfindungsgemäßen Schneidelement ein Aufrauen einer zylindrischen Oberfläche in einem Gusseisen-, im Besonderen Grauguss-, Werkstück durch eine spanabhebende Erzeugung einer wendelförmig verlaufenden, filigran ausgebildeten Rille mit Abmessungen (Tiefe, Breite) im µm-Bereich, also im Bereich von beispielsweise 30 bis 150 µm, zufriedenstellend und wirtschaftlich gelingt.
Die mehreren Trapezzähne weisen wenigstens einen ersten Trapezzahn mit einem ersten Flankenwinkel von beispielsweise 12° und wenigstens einen zweiten Trapezzahn mit einem zweiten Flankenwinkel von beispielsweise 24° auf. Im einfachsten Fall ist also ein erster Trapezzahn gefolgt von einem zweiten Trapezzahn vorgesehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise ein erster Trapezzahn gefolgt von drei zweiten Trapezzähnen vorgesehen. Im Unterschied zu dem einfachsten Fall enthält das bevorzugte Ausführungsbeispiel also mehrere redundante zweite Trapezzähne. Redundante Zähne tragen dazu bei, dass auch bei einem Werkzeugverschleiß eine gleichbleibende Rillengeometrie herstellbar ist bzw. durch die redundanten Zähne eine Säuberung der bereits erzeugten oder bearbeiteten Rille erfolgt.
Davon abweichend kann das Schneidelement wenigstens einen weiteren, dritten (vierten, etc.) Trapezzahn mit einem gegenüber dem wenigstens einen ersten Trapezzahn und dem wenigstens einen zweiten Trapezzahn größeren Flankenwinkel aufweisen. Die Flankenwinkel der Trapezzähne können dann beispielsweise über wenigstens zwei Stufen, also beispielsweise von 12° auf 18° und von 18° auf 24°, zunehmen. Wie bereits in Klammern angedeutet, könnte ein vierter Trapezzahn mit einem noch größeren Flankenwinkel von beispielsweise 32° folgen, usw..
Sämtliche Rillenschneidzähne oder wenigstens die für den Endquerschnitt der zu erzeugenden Rille verantwortlichen Trapezzähne weisen vorzugsweise abgerundete, z.B. durch vorgegebene Radien definierte, Ecken auf. Durch die abgerundeten Ecken gelingt es, die Wirtschaftlichkeit des Werkzeugs zu erhöhen. Durch die an beiden Rillenflanken erzeugten Hinterschneidungen wird dennoch eine gute formschlüssige Verklammerung einer auf die aufgeraute zylindrische Oberfläche aufgetragenen Beschichtung mit dem Werkstück erreicht.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Übermaße der Trapezzähne gegenüber einer zur Achse der zu erzeugenden Rille parallelen Bezugsebene am Schneidelement, beispielsweise einer gemeinsamen Zahnfußebene der Rillenschneidzähne, gleich groß, so dass bereits der erste Trapezzahn die Endtiefe des Trapezquerschnitts der zu erzeugenden Rille bestimmt und der oder die weiteren nachfolgenden Trapezzähne lediglich den Flankenwinkel auf ein definiertes Endmaß vergrößern. Wenn durch die Vorbearbeitungszähne die Tiefe der Rille sukzessive der Endtiefe angenähert wird, kann die Belastung auf die die Rillenhinterschnitte erzeugenden Flanken der Trapezzähne gering gehalten werden.
Eine gute Vorbearbeitung der Werkstückoberfläche gelingt im Besonderen mit mehreren Vorbearbeitungszähnen, die gleiche oder verschiedene Querschnittsprofile aufweisen oder kombinieren können. Analog zu den Trapezzähnen können auch die Vorbearbeitungszähne einen oder mehrere redundante Vorbearbeitungszähne aufweisen, um auch bei einem Werkzeugverschleiß einen gleichbleibenden Rillenquerschnitt herstellen zu können und im Versagensfall eines bzw. mehrerer Vorbearbeitungszähne die Basisrille auf einen gewünschten Endquerschnitt fertig bearbeiten zu können.
So können die Vorbearbeitungszähne beispielsweise einen oder mehrere Rundzähne mit einem runden, im Besonderen kreisrunden, Zahnkopfprofil aufweisen. Im Fall mehrerer Rundzähne kann das Übermaß gegenüber der oben erwähnten Bezugsebene von wenigstens einem Rundzahn auf einen nachfolgenden Rundzahn gleich sein oder so zunehmen, dass der Querschnitt der zu erzeugenden Basisrille sukzessive tiefer wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Rundzahn vorgesehen. Ungeachtet dessen können die Querschnittsprofile der mehreren Rundzähne gleich sein oder in der Höhe (Übermaß gegenüber der oben erwähnten Bezugsebene) und/oder im Radius größer werden. Durch die dadurch erreichte Querschnittsvergrößerung können die auf die Rundzähne einwirkenden Kräfte gut kontrolliert werden.
Alternativ zu den Rundzähnen oder zusätzlich zu den Rundzähnen können die Vorbearbeitungszähne wenigstens einen Rechteckzahn mit einem im Querschnitt einem Rechteck mit abgerundeten Ecken entsprechenden Zahnkopfprofil aufweisen. Analog zu den Rundzähnen kann sich der Querschnitt des wenigstens einen Rechteckzahns in der Breite und/oder Höhe (Übermaß gegenüber der oben erwähnten Bezugsebene) ändern.
Ein maximales Übermaß (gegenüber der oben erwähnten Bezugsebene) der Trapezzähne kann kleiner sein als ein maximales Übermaß (gegenüber der oben erwähnten Bezugsebene) des wenigstens einen Vorbearbeitungszahns. Dadurch lässt sich ein Rillenquerschnitt mit einer im Rillengrund der fertigen Rille liegenden, durch die Vorbearbeitungszähne erzeugten, beispielsweise runden, Vertiefung ausbilden.
Das Schneidelement kann des Weiteren einen den Rillenschneidzähnen vorgelagerten Aufbohrzahn zum Aufbohren der Bohrung auf den vorgegebenen Nenndurchmesser aufweisen. In diesem Fall kann der Aufbohrzahn von der oben erwähnten Bezugsebene am Schneidelement ausgehen.
Das Schneidelement mit den Rillenschneidzähnen und ggf. dem optional vorhandenen Aufbohrzahn kann als eine Schneidplatte, beispielsweise eine Wendeschneidplatte, ausgebildet sein, die vorzugsweise aus Hartmetall gefertigt ist und vorteilhafterweise eine geeignete Verschleißschutzbeschichtung trägt.
Alternativ dazu können die Rillenschneidzähne und ggf. der optional vorhandene Aufbohrzahn, z.B. nach dem Vorbild der WO 2010/015229 A1 , aber auch in einem prismen- oder quaderförmigen Schneidkörper aus Hartstoff, beispielsweise PKD, CBN oder Cermet, ausgebildet sein, der auf einem Träger aus Hartmetall sitzt. Das aus dem Träger und dem Schneidkörper gebildete Schneidelement kann wie in dem obigen Fall, in dem das Schneidelement aus Hartmetall gefertigt ist, in Form einer Schneidplatte, beispielsweise Wendeschneidplatte, ausgebildet sein.
Das Schneidelement kann radial und/oder axial justierbar an einem Grundkörper eines drehantreibbaren Werkzeugs festgelegt sein.
Nachstehend wird anhand schematischer Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenansicht eines (Komplett-)Werkzeugs mit einem erfindungsgemäßen Schneidelement in Form einer Schneidplatte zur Erzeugung einer zylindrischen Oberfläche, die eine für das Auftragen von Material durch thermisches Spritzen vorbereitete Oberflächenstruktur vorbestimmter Geometrie hat;
2 eine Stirnansicht des Werkzeugs aus 1 gemäß „II“ in 1;
3 eine Draufsicht der Schneidplatte aus 1 und 2 in stark vergrößertem Maßstab;
4 einen Schnitt gemäß „IV-IV“ in 3 durch die Schneidplatte;
5 in stark vergrößertem Maßstab eine Draufsicht eines Schneidensegments der Schneidplatte; und
6 einen Querschnitt durch einen Gang einer mit dem Werkzeug gemäß 1 erzeugten trapezförmig hinterschnittene Rille.

Im Folgenden wird zunächst ein (Komplett-)Werkzeug beschrieben, mit dem eine zylindrische Innenoberfläche einer Bohrung in einem Werkstück, z.B. eine Kolbenlauffläche in einer Zylinderlaufbuchse oder einer Zylinderbohrung in einem Zylinderkurbelgehäuse, aus Gusseisen, im Besonderen Grauguss, derart bearbeitet werden kann, dass eine Schicht durch ein thermisches Spritzverfahren in der Serienproduktion aufgebracht werden kann.
Damit das durch thermisches Spritzen aufgebrachte Material gut auf dem Werkstück haftet, ist es erforderlich, das Werkstück aufzurauen, d.h. mit einer besonderen Oberfläche auszustatten, damit sich die Verzahnung zwischen der durch ein thermisches Spritzen aufgetragenen Materialschicht und dem Werkstück über die gesamte Werkstückoberfläche reproduzierbar und mit gleichmäßig guter Qualität realisieren lässt. Die zylindrische Innenoberfläche hat beispielsweise dann, wenn es um die Bearbeitung von Zylinderlaufbuchsen geht, eine axiale Länge von etwa 130 mm im PKW-Bereich, sowie bis über 400mm im Nutzfahrzeugbereich, wobei extrem enge Zylinderformtoleranzen und Oberflächenrauheiten eingehalten werden müssen. Ein erfindungsgemäßes Schneidelement ist dabei so konzipiert, dass es in die bereits sehr präzise vorbearbeitete zylindrische Werkstückoberfläche eine wendelförmig verlaufende Rille mit vorbestimmter Geometrie einarbeitet, was nachfolgend näher beschrieben werden soll.
Das drehantreibbare Werkzeug ist in 1 mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet. Es hat eine werkzeugmaschinenspindelseitige Schnittstelle 14 mit - in dem gezeigten Ausführungsbeispiel - einem Hohlschaftkegel (HSK), an den sich ein Grundkörper 16 anschließt. Die Achse des Werkzeugs 12 ist mit 18 bezeichnet. Aus der Darstellung erkennt man, dass es sich bei dem Werkzeug 12 um ein extrem steifes und formstabiles Werkzeug handelt, was Voraussetzung dafür ist, dass die zylindrische Innenoberfläche des Gusseisen-, im Besonderen Grauguss-, Werkstücks mit der vorbestimmten Zylinderformgenauigkeit bearbeitet werden kann.
In einer mit 20 bezeichneten Tasche des Grundkörpers 16 sitzt eine Werkzeugkassette 22, die im Wesentlichen, wie man in 1 und 2 erkennt, die Form eines Quaders hat und mittels einer Spannschraube 24 gegen zwei im Winkel zueinander liegende Innenoberflächen der Tasche 20 gespannt werden kann. Mit dem Bezugszeichen 26 sind Kegelstifte bezeichnet, die mittels geeigneter Werkzeuge, wie z. B. mittels eines Innensechskantschlüssels, verstellt werden können, um die Kassette 22 bezüglich der Achse 18 auszurichten. Es versteht sich von selbst, dass deshalb die Spannschraube 24 eine entsprechende Bohrung in der Kassette mit Winkel zu den beiden Anlageoberflächen der Tasche 20 durchdringt, damit derartige Feinjustierungen der Werkzeugkassette 22 möglich sind.
Es kann auch vorgesehen sein, die Kassette 22 mittels eines nicht näher dargestellten Verstellbolzens, der mit einer Stirnfläche 32 der Kassette 22 in Anlagekontakt steht und im Wesentlichen radial in den Grundkörper 16 eingedrückt bzw. eingeschraubt werden kann, in axialer Richtung verstellbar, vorzugsweise fein justierbar, zu halten. Die Werkzeugkassette 22 trägt ihrerseits ein erfindungsgemäß gestaltetes Schneidelement, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als eine Schneidplatte 34 ausgebildet ist, die mittels einer zentralen Befestigungsschraube 36, die mit einem Durchbruch 35 der Schneidplatte 34 zusammenwirkt, an der Werkzeugkassette 22 lösbar befestigt ist.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schneidplatte 34 aus Hartmetall gefertigt und trägt eine Verschleißschutzbeschichtung. Man erkennt aus der Darstellung gemäß 1 und 2, dass die Schneidplatte 34 an einer Seitenkante 38, die parallel zu der Werkzeugachse 18, d.h. parallel zur Achse der zu erzeugenden wendelförmig verlaufenden Rille, und damit zu der zu bearbeitenden zylindrischen Werkstück-Oberfläche ausrichtbar ist, im Wesentlichen über die gesamte Länge der Schneidplatte 34 hinweg mit einer extrem filigranen Verzahnung 40 ausgestattet ist, die es ermöglicht, in einer zylindrischen Werkstückoberfläche eine Rillenstruktur mit genau vorgegebener Geometrie einzuarbeiten. Wie bereits erwähnt, soll dabei genau eine Rille entstehen, die sich gewindeähnlich oder wendelförmig über die gesamte axiale Länge der zylindrischen Werkstückoberfläche erstreckt und in dem Ausführungsbeispiel eine Tiefe T (siehe 6) von 0,12 mm und eine Gesamtbreite B von 0,3 mm hat. Die Steigung oder Ganghöhe S der Rille 52 beträgt in dem Ausführungsbeispiel 0,6 mm. Die Teilung, mit der die später beschriebenen Rillenschneidzähne der filigranen Verzahnung der Schneidplatte 34 angeordnet sind, entspricht der zweifachen Ganghöhe S der Rille 52, so dass bei der Bearbeitung der Bohrungswand ein Rillengang immer leer bleibt.
Zur Herstellung dieser Rille 52 ist die Schneidplatte 34 mit einer speziellen Verzahnung 40 ausgestattet, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 näher beschrieben wird:
Die 3 zeigt eine Draufsicht der Schneidplatte 34 in stark vergrößertem Maßstab. Die 4 zeigt einen Schnitt gemäß „IV-IV“ in 3 durch die Schneidplatte. Die 5 zeigt wiederum in stark vergrößertem Maßstab eine Draufsicht eines die Verzahnung 40 aufweisenden Schneidensegments der Schneidplatte. Die 6 zeigt schließlich einen Querschnitt durch einen Gang einer mit dem Werkzeug gemäß 1 erzeugten trapezförmig hinterschnittene Rille 52.
Die Länge und Breite der Schneidplatte 34 liegt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel bei 9,525 mm. Die Höhe der Schneidplatte 34 beträgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 3,97 mm. Die mit dem Bezugszeichen 54-1 bis 54-8 bezeichneten Rillenschneidzähne weisen folgende Geometrie auf:
An dem axial vorlaufenden Ende der Seitenkante 38 der Schneidplatte 34 befindet sich zunächst ein Aufbohrzahn 54-1 (vgl. 3 und 5). Das Durchmessermaß des Aufbohrzahns 54-1 ist so gewählt, dass der Aufbohrzahn 54-1 bei fertig justierter Werkzeugkassette 22 im Wesentlichen auf dem gewünschten Nenndurchmesser der zylindrischen Oberfläche des Werkstücks liegt. Die effektive Breite des Aufbohrzahns liegt bei 0,9 mm und ist damit größer als die Ganghöhe S der zu erzeugenden Rille.
Benachbart zum Aufbohrzahn 54-1 folgen jeweils mit einer der zweifachen Ganghöhe S entsprechenden Teilung drei Vorbearbeitungszähne 54-2 bis 54-4. Die drei Vorbearbeitungszähne weisen als einen ersten Zahn einen Rundzahn 54-2 mit einem im Bereich des Übermaßes gegenüber dem Aufbohrzahn 54-1 liegenden, im Querschnitt kreisrunden Zahnkopfprofil, gefolgt von zwei Rechteckzähnen 54-3 und 54-4 mit einem im Querschnitt einem Rechteck mit abgerundeten Ecken entsprechenden Zahnkopfprofil auf. Der Rundzahn 54-2 taucht mit einem definierten Übermaß von 0,11 mm gegenüber dem Aufbohrzahn 54-1 in die durch den Aufbohrzahn 54-1 vorbearbeitete Werkstückoberfläche ein und erzeugt eine Basisrille, die durch die beiden Rechteckzähnen 54-3 und 54-4 sukzessive weiterbearbeitet, im Besonderen im Querschnitt vergrößert und gesäubert, wird. Die beiden Rechteckzähne 54-3 und 54-4 weisen das gleiche Übermaß auf wie der Rundzahn 54-2. Der erste Rechteckzahn 54-3 erweitert den runden Querschnitt der mit dem Rundzahn 54-2 geschnittenen Basisrille auf einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Der zweite Rechteckzahn 54-4 hat das gleiche Zahnkopfprofil wie der erste Rechteckzahn 54-4, ist also redundant.
Auf die drei Vorbearbeitungszähne 54-2 bis 54-4 folgen jeweils mit einer der zweifachen Ganghöhe S entsprechenden Teilung vier Trapezzähne 54-5 bis 54-8, darunter ein erster Trapezzahn 54-5 mit einem ersten Flankenwinkel von 12° und drei zweite Trapezzähne 54-6 bis 54-8 mit einem größeren zweiten Flankenwinkel von 24°. Der erste Trapezzahn 54-5 erweitert den Querschnitt der durch die Vorbearbeitungszähne 54-2 bis 54-4 erzeugten Basisrille auf einen trapezförmig hinterschnittenen Querschnitt mit einem Flankenwinkel von 12°. Die weiteren Trapezzähne 54-6 bis 54-8 vergrößern den Flankenwinkel schließlich auf 24°. Der erste Trapezzahn 54-5 hat damit ein in der Breite enger gehaltenes Zahnkopfprofil mit einem durch die beiden Flanken 54-5F begrenzten kleineren Flankenwinkel von 12°, während der zweite Trapezzahn 54-6 ein in der Breite größer gehaltenes Zahnkopfprofil mit einem durch die beiden Flanken 54-6F begrenzten größeren Flankenwinkel von 24° hat. Mit dem Eingriff des zweiten Trapezzahns 54-6 liegt damit bereits eine trapezförmig hinterschnittene Rille 52 mit einem Querschnitt gemäß 6, d.h. mit einer Tiefe von 0,12 mm und einer Gesamtbreite im Rillengrund von 0,3 mm vor. Der dritte und vierte Trapezzahn 54-7 bzw. 54-8 sind redundant. Sie gleichen im Zahnkopfprofil, in der Tiefe und Breite dem zweiten Trapezzahn 54-6 und dienen lediglich zur Säuberung der durch die Trapezzähne 54-5 und 54-6 erzeugten trapezförmig hinterschnittenen Rille 52. Man erkennt in 5, dass die Trapezzähne 54-5 bis 54-8 gegenüber dem Aufbohrzahn 54-1 das gleiche Übermaß von 0,11 mm haben wie die Vorbearbeitungszähne 54-2 bis 54-4.
Die 5 und 6 lassen des Weiteren erkennen, dass die Trapezzähne 54-5 bis 54-8 abgerundete Ecken aufweisen. Damit weisen sämtliche Rillenschneidzähne abgerundete, im Besonderen durch vorgegebene Radien definierte, Ecken auf.
Die Trapezzähne 54-5 bis 54-8 verbreitern somit die zuvor durch die Vorbearbeitungszähne 54-2 bis 54-4 geformte Basisrille im Bereich des Rillengrunds sukzessive - in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in zwei Schritten - auf einen in 6 gezeigten Endquerschnitt. Jeder Trapezzahn bearbeitet, d.h. zerspant oder säubert, die zuvor erzeugte Rille gleichzeitig an beiden Rillenflanken.
Die Trapezzähne haben 54-5 bis 54-8 haben ein sich in Zahnhöhenrichtung, d.h. in Richtung Zahnkopf, trapezförmig erweiterndes Zahnkopfprofil. Die Zahnhöhe wird von einer in 5 mit dem Bezugszeichen 41 angegebenen (fiktiven) Bezugsebene an der Schneidplatte 34 aus gemessen. Die Bezugsebene verläuft parallel zur Achse der zu erzeugenden Rille 52, welche der Achse 18 des Werkzeugs 12 entspricht, und kann in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auch als eine gemeinsame Zahnfußebene verstanden werden. „in Zahnhöhenrichtung trapezförmig erweiternd“ bedeutet, dass sich das Querschnittsprofil der Trapezzähne in entgegengesetzter Richtung, d.h. zu der Bezugsebene 41 hin oder in eine Richtung vom Zahnkopf zum Zahnfuß, verjüngt. Durch das sich in Zahnhöhenrichtung trapezförmig erweiternde Zahnkopfprofil werden in der zylindrischen Oberfläche trapezförmig hinterschnittene Rillenquerschnitte mit positiven Hinterschnittwinkeln erzeugt, wie man in 6 gut erkennt. Die 6 zeigt, dass beide Rillenflanken der fertigen Rille 52 mit einem positiven Hinterschneidungswinkel gegenüber zur Achse der fertigen Rille 52 normalen Ebenen N, N angeordnet sind, die in 6 durch strichpunktierte Linien angedeutet sind.
Mit der vorstehend beschriebenen Gestaltung der Schneidplatte 34 ergibt sich folgende Wirkungsweise bei der Erzeugung der zylindrischen Innenoberfläche mit vorbestimmter Oberflächenstruktur.
Das Werkzeug 12 wird mit seiner Achse 18 konzentrisch zur Achse der vorbearbeiteten zylindrischen Oberfläche ausgerichtet, so dass der radiale Abstand des Zahnkopfes des Aufbohrzahns 54-1 im Wesentlichen dem halben Zylinderflächendurchmesser der zylindrischen Werkstückoberfläche entspricht. Wenn die Kassette 22 zuvor mittels der Einstellmöglichkeiten (Exenterstifte 26) derart ausgerichtet worden ist, dass die Zahnköpfe der Rillenschneidzähne 54-2 bis 54-8 im Wesentlichen parallel zur Werkzeugsachse 18 so ausgerichtet liegen, dass die Zahnlinie senkrecht auf der zu erzeugenden wendelförmig verlaufenden Rille 52 (vgl. 6) steht, kann das Werkzeug in die Innenbohrung eingefahren werden. Anschließend wird eine Relativdrehbewegung zwischen dem Werkzeug 12 und der zylindrischen Werkstückoberfläche erzeugt, und gleichzeitig eine axiale Relativverschiebebewegung zwischen Werkzeug 12 und Werkstück in der Weise, dass gilt: $V_{R} = n_{R} \times S$
wobei V_R die axiale Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkzeug 12 und dem Werkstück, n_R die Relativ-Drehzahl zwischen Werkzeug und Werkstück und S die Ganghöhe bedeuten.
Zum Erzeugen der wendelförmig verlaufenden, trapezförmig hinterschnittenen Rille 52 wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zunächst mit dem Aufbohrzahn 54-1 der Schneidplatte 34 des oben beschriebenen Werkzeugs die aufzurauende zylindrische Oberfläche auf einen Nenndurchmesser gebracht. Dann wird mit den Vorbearbeitungszähnen 54-2 bis 54-4 sukzessive eine in der Breite von zwei Rillenflanken begrenzte Basisrille erzeugt und bearbeitet, die anschließend durch eine weitere spanabhebende Bearbeitung durch die Trapezzähne 54-5 bis 54-8 im Querschnitt trapezförmig hinterschnitten wird. Für die Gusseisen-, im Besonderen Grauguß-, Zerspanung werden erfindungsgemäß die beiden Flanken der Basisrille gleichzeitig in der Weise weiter zerspant, dass der von den Flanken begrenzte Flankenwinkel sukzessive, in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel in zwei Schritten, auf einen definierten Endwinkel der zu erzeugenden Rille 52 vergrößert wird.
Vorstehend wurde das Werkzeug 12 beziehungsweise die Verzahnung 40 der am Werkzeug 12 gehaltenen Schneidelements 34 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht auf die oben beschriebene Verzahnungsgestaltung beschränkt. So sind insbesondere die in den Figuren angegebenen Maße nur beispielhaft und daher nicht als den Schutzbereich der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung einschränkend zu verstehen.
Selbstverständlich sind Abweichungen von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, ohne den durch die Ansprüche definierten Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die mehreren Trapezzähne einen ersten Trapezzahn mit einem ersten Flankenwinkel von 12° und drei zweite Trapezzähne mit einem zweiten Flankenwinkel von 24° auf. Davon abweichend kann das Schneidelement wenigstens einen weiteren, dritten (vierten, etc.) Trapezzahn mit einem gegenüber dem wenigstens einen ersten Trapezzahn und dem wenigstens einen zweiten Trapezzahn größeren Flankenwinkel aufweisen. Die Flankenwinkel der Trapezzähne können dann beispielsweise über wenigstens zwei Stufen, also beispielsweise von 12° auf 18° und von 18° auf 24°, zunehmen.
Des Weiteren kann das Profil der Vorbearbeitungszähne von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichend variieren. Die Vorbearbeitungszähne können hinsichtlich der Anzahl und Kombination die in dem oben diskutierten Ausführungsbeispiel vorgesehenen Rund- und Rechteckzähne aufweisen. Entscheidend ist lediglich, dass die Vorbearbeitungszähne durch eine spanabhebende Bearbeitung eine Basisrille erzeugen, deren Querschnitt demjenigen der fertigen Rille sukzessive angenähert wird, während der trapezförmig hinterschnittene Querschnitt der fertigen Rille dann mittels der Trapezzähne sukzessive in wenigstens zwei Schneid- oder Zerspanungsschritten erzeugt wird.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die das Schneidelement tragende Schneidplatte als eine Einweg-Schneidplatte ausgeführt. Davon abweichend kann die Schneidplatte aber auch als eine Wendeschneidplatte ausgeführt sein, die in beispielsweise gegenüberliegender oder rechtwinkliger Anordnung zwei erfindungsgemäß gestaltete Verzahnungen oder Schneidensegmente aufweisen kann.
Abweichend von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es auch denkbar, das Werkzeug mit mehreren Schneidelementen auszustatten, die über den Umfang verteilt sind. In diesem Fall könnten dann die Rillen nach der Art eines mehrgängigen Gewindes in das Werkstück eingeschnitten werden.
Wenn das Werkzeug gemäß 1 mit einer einzigen Schneidplatte ausgestattet ist, kann es von Vorteil sein, den Grundkörper des Werkzeugs über den Umfang verteilt mit Führungsleisten auszustatten, die dafür sorgen, dass das Werkzeug im Zusammenwirken mit dem Aufbohrzahn in der Werkstückbohrung sicher geführt wird.
Um die geforderte Formgenauigkeit des Zylinders nicht zu beeinträchtigen, lässt die 1 zwei mit dem Bezugszeichen 68 versehende Wuchtschrauben erkennen, mit denen eine Feinauswuchtung des Werkzeugs möglich ist.

Claims

Schneidelement (34) für ein Werkzeug zum Erzeugen einer wendelförmig verlaufenden, trapezförmig hinterschnittenen Rille (52) in einer zylindrischen Oberfläche einer Bohrung, mit: mehreren Rillenschneidzähnen (54-2 bis 54-8) zum Erzeugen einer im Querschnitt symmetrischen Rille (52), die mit einer auf die Ganghöhe (S) der zu erzeugenden Rille (52) abgestimmten Teilung in Reihe angeordnet sind, und die wenigstens einen Vorbearbeitungszahn (54-2 bis 54-4) zum Erzeugen und Bearbeiten einer Basisrille und mehrere, dem wenigstens einen Vorbearbeitungszahn (54-2 bis 54-4) folgende Trapezzähne (54-5 bis 54-8) aufweisen, die im Querschnitt ein sich in Zahnhöhenrichtung trapezförmig erweiterndes Zahnkopfprofil mit zwei einen Flankenwinkel begrenzenden Flanken (54-5F; 54-6F) haben, zum Weiterbearbeiten der Basisrille auf einen trapezförmig hinterschnittenen Endquerschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Vorbearbeitungszahn (54-2 bis 54-4) und alle Trapezzähne (54-5 bis 54-8) ein im Querschnitt symmetrisches Zahnkopfprofil haben, und der durch die beiden Flanken (54-5F; 54-6F) des trapezförmigen Zahnkopfprofils begrenzte Flankenwinkel von wenigstens einem Trapezzahn (54-5) auf einen nachfolgenden Trapezzahn (54-6) auf ein definiertes Endmaß zunimmt.
Schneidelement (34) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenschneidzähne (54-2 bis 54-8) mit einer der zweifachen Ganghöhe (S) der zu erzeugenden Rille (52) entsprechenden Teilung in Reihe angeordnet sind.
Schneidelement (34) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens einen ersten Trapezzahn (54-5) mit einem ersten Flankenwinkel und wenigstens einen zweiten Trapezzahn (54-6 bis 54-8) mit einem zweiten Flankenwinkel, der größer ist als der erste Flankenwinkel.
Schneidelement (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenschneidzähne (54-2 bis 54-8) abgerundete Ecken aufweisen.
Schneidelement (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übermaße der Trapezzähne (54-5 bis 54-8) gegenüber einer zur Achse der zu erzeugenden Rille (52) parallelen Bezugsebene (41) am Schneidelement (34) gleich groß sind.
Schneidelement (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Vorbearbeitungszahn (54-2 bis 54-4) wenigstens einen Rundzahn (54-2) aufweist, der im Querschnitt ein rundes Zahnkopfprofil hat.
Schneidelement (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Vorbearbeitungszahn (54-2 bis 54-4) wenigstens einen Rechteckzahn (54-3, 54-4) aufweist, der im Querschnitt ein einem Rechteck mit abgerundeten Ecken entsprechendes Zahnkopfprofil hat.
Schneidelement (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als eine Schneidplatte aus Hartmetall ausgebildet ist.
Schneidelement (34) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen den Rillenschneidzähnen (54-2 bis 54-8) vorgelagerten Aufbohrzahn (54-1) zum Aufbohren der Bohrung auf einen vorgegebenen Nenndurchmesser.
Drehantreibbares Werkzeug (12) mit einer werkzeugmaschinenspindelseitigen Schnittstelle (14) und einem an die Schnittstelle (14) anschließenden Grundkörper (16), gekennzeichnet durch ein am Grundkörper (16) festgelegtes Schneidelement (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verfahren zum Erzeugen einer wendelförmig verlaufenden, trapezförmig hinterschnittenen Rille (52) in einer zylindrischen Oberfläche, bei dem in die zylindrische Oberfläche einer auf einen vorgegebenen Nenndurchmesser aufgebohrten Bohrung zunächst eine in der Breite von zwei Flanken begrenzte Basisrille geschnitten wird, und anschließend die Basisrille durch eine spanbabhebende Bearbeitung der beiden Flanken im Querschnitt trapezförmig hinterschnitten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der von den beiden Flanken der Basisrille begrenzte Flankenwinkel durch die gleichzeitige Bearbeitung beider Flanken sukzessive in wenigstens zwei Schritten auf einen definierten Endwinkel der zu erzeugenden Rille (52) vergrößert wird, wobei sich die bearbeiteten Flanken mit dem sukzessive vergrößerten Flankenwinkel bis zur zylindrischen Oberfläche erstrecken.