DE102017202573A1

DE102017202573A1 - Honwerkzeug und Feinbearbeitungsverfahren unter Verwendung des Honwerkzeugs

Info

Publication number: DE102017202573A1
Application number: DE102017202573.5A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Current assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2018-08-23
Also published as: CN110520247A; EP3582931B1; WO2018149696A1; HUE064435T2; US20190366504A1; CN110520247B; EP3582931A1

Abstract

Ein Honwerkzeug (100) zur Bearbeitung einer Innenfläche (322) einer Bohrung (320) in einem Werkstück (300) mithilfe mindestens einer Honoperation umfasst einen Werkzeugkörper (110), der eine Werkzeugachse definiert, und eine an dem Werkzeugkörper angebrachte aufweitbare Schneidgruppe (330) mit mehreren radial zustellbaren Schneidstoffkörper-Trägern (150), die jeweils einen Umfangswinkelbereich abdecken und mittels eines der Schneidgruppe zugeordneten Schneidgruppen-Zustellsystem radial zur Werkzeugachse zustellbar sind. Jeder Schneidstoffkörper-Träger trägt an seiner radialen Außenseite mehrere schmale Schneidstoffkörper (140), die mit gegenseitigem Abstand zueinander angeordnet sind. In einem Zwischenraum zwischen einem Schneidstoffkörper (140) und dem den Schneidstoffkörper tragenden Schneidstoffkörper-Träger (150) ist eine elastisch nachgiebige Zwischenschicht (160) angeordnet, die den Zwischenraum zwischen dem Schneidstoffkörper und dem Schneidstoffkörper-Träger ausfüllt. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Honwerkzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Feinbearbeitungsverfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Feinbearbeitung von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen.
Die Zylinderlaufflächen in Zylinderblöcken (Zylinderkurbelgehäusen) oder Zylinderlaufbuchsen von Brennkraftmaschinen oder anderen Hubkolbenmaschinen sind im Betrieb einer starken tribologischen Beanspruchung ausgesetzt. Daher kommt es bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen darauf an, diese Zylinderlaufflächen so zu bearbeiten, dass später bei allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierung durch einen Schmiermittelfilm gewährleistet ist und der Reibwiderstand zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen möglichst gering gehalten wird.
Die qualitätsbestimmende Endbearbeitung solcher tribologisch beanspruchbarer Innenflächen erfolgt in der Regel mit geeigneten Honverfahren, die typischer Weise mehrere aufeinanderfolgende Honoperationen umfassen. Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Bei einer Honoperation wird ein aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der zu bearbeitenden Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung mit einer Hubfrequenz auf und ab bzw. hin- und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung mit einer Umdrehungsfrequenz gedreht. Die am Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper werden über ein Schneidstoffkörper-Zustellsystem mit einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft an die zu bearbeitende Innenfläche angedrückt. Beim Honen entsteht in der Regel an der Innenfläche ein für die Honbearbeitung typisches Kreuzschliffmuster mit sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren, die auch als „Honriefen“ bezeichnet werden.
Zur Vorbereitung der zu bearbeitenden Werkstücke für das Honen kann eine Vorbearbeitung durch Feinbohren vorgeschaltet sein, die manchmal auch als Feindrehen oder Feinspindeln bezeichnet wird. Feinbohr-Operationen, die mit Feinbohr-Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide durchgeführt werden, dienen in der Regel dazu, die gewünschte Position und Winkellage der Bohrung festzulegen, ggf. auch zur Erzeugung von Bohrungsformen, die von einer kreiszylindrischen Gestalt abweichen. Eine wesentliche Aufgabe der Honoperation mit einem im Vergleich zum Feinbohren geringeren Aufmaß ist die Erzeugung der geforderten Oberflächenstruktur.
Mit steigenden Anforderungen an die Sparsamkeit und Umweltfreundlichkeit von Motoren ist die Optimierung des tribologischen Systems Kolben/Kolbenringe/Zylinder-lauffläche von besonderer Bedeutung, um geringe Reibung, geringen Verschleiß und geringen Ölverbrauch zu erreichen. Der makroskopischen Gestalt (Makroform) der Bohrungen sowie der Oberflächenstruktur kommt dabei besondere Bedeutung zu.
Bei manchen Feinbearbeitungsverfahren wird mittels Feinbohren und/oder Honen eine von der Kreiszylinderform definiert abweichende Bohrungsform erzeugt. Solche Bohrungsformen sind in der Regel in Axialrichtung und/oder in Umfangsrichtung unsymmetrisch, weil auch die Deformationen des Zylinderblocks in der Regel nicht symmetrisch sind. Im Betriebszustand soll sich meist eine möglichst ideale Kreiszylinderform ergeben, so dass das Kolbenringpaket über den gesamten Bohrungsumfang gut abdichten kann.
Aufgrund unterschiedlichster Anforderungen wurden unterschiedliche Honwerkzeug-Typen entwickelt. Sie lassen sich zunächst unterscheiden in Honwerkzeuge, die während der Bearbeitung zustellbar sind, und Honwerkzeuge, die voreinstellbar sind. Während der Bearbeitung zustellbare Honwerkzeuge lassen sich weiter unterteilen in Leisten-Honwerkzeuge, wie Ein-Leisten-Honwerkzeuge, Mehr-Leisten-Honwerkzeuge und Sonderwerkzeuge, und in weitgehend vollflächige Werkzeuge, wie Schalenwerkzeuge und Schaftwerkzeuge. Unter die Kategorie der voreinstellbaren Honwerkzeuge fallen die sogenannten Dornwerkzeuge oder Precidor-Honwerkzeuge.
Ein-Leisten-Honwerkzeuge werden häufig bei der Bearbeitung von hochgenauen Kleinteilen eingesetzt. Mehrleisten-Honwerkzeuge stehen für diverse Einsatzmöglichkeiten in unterschiedlichsten Ausführungen zur Verfügung. Aufgrund des hohen Schneidmittelaufnahmevolumens und ihrer Einsatzparameter sind hohe Zerspanungsleistungen beim Honen erreichbar.
Bei Bohrungen mit großen Unterbrechungen kann der Einsatz von klassischen Leisten-Honwerkzeugen zu Problemen führen. Die einzeln geführten Honleisten können zwar für eine konzentrische Aufweitung und für eine optimale Rundheit der Bohrung sorgen, aber bei großen Unterbrechungen besteht die Gefahr, dass sie im Werkstück einhaken. Unter anderem für diese Einsatzfälle wurden die sogenannten Schalenwerkzeuge entwickelt, bei denen Schneidmittel auf einem in Umfangsrichtung relativ breiten Schneidstoffkörper-Träger angeordnet sind. Ein Schalenwerkzeug kann z.B. mit nur zwei Schneidstoffkörper-Trägern (Halbschalen) aufgebaut sein, ggf. auch mit drei oder vier oder mehr Schneidstoffkörper-Trägern entsprechend geringerer Umfangsbreite.
Schalenwerkzeuge können mit unterschiedlicher Konstruktion ausgelegt sein.
Die Offenlegungsschrift DE 1652074 beschreibt ein Honwerkzeug mit Schalensegmenten, die mit Zerspanungsbelag aus einem Stück als Sinterteil hergestellt sind und die als Träger für den Zerspanungsbelag eine Vielzahl von nach außen vorspringenden Rippen haben können.
Die DE 102013204714 A1 offenbart z.B. als Schalenwerkzeuge ausgelegte Honwerkzeuge, die zur Bearbeitung, rotationssymmetrischer Bohrungen geeignet sind, die Bohrungsabschnitte unterschiedlicher Durchmesser und/oder Gestalt aufweisen. Dabei können z.B. Bohrungen mit Flaschenform, Konusform oder Tonnenform bearbeitet und/oder erzeugt werden. Die entsprechenden Honverfahren werden gelegentlich als „Konturhonen“ bezeichnet. Das Honwerkzeug hat eine aufweitbare ringförmige Schneidgruppe mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern, deren in Axialrichtung gemessene axiale Länge kleiner als ein wirksamer Außendurchmesser der Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern ist. Die Schneidgruppe hat mehrere radial zustellbare Schneidstoffkörper-Träger, die jeweils einen Umfangswinkelbereich abdecken, der größer ist als die axiale Länge der Schneidgruppe.
Aufgrund der relativ kurzen axialen Länge der Schneidgruppe sind derartige Honwerkzeuge besonders gut für die Erzeugung einer axialen Kontur und/oder zur Verfolgung einer schon existierenden axialen Kontur der Bohrung geeignet. Außerdem können geringe axiale Längen der Schneidgruppe vorteilhaft sein, um einen ausreichenden Flächendruck für die Bearbeitung zu erzeugen. Dadurch, dass die Schneidgruppe mehrere radial zustellbare Schneidstoffkörper-Träger aufweist, die jeweils einen Umfangswinkelbereich abdecken, der größer ist als die axiale Länge der Schneidgruppe, kann unter anderem erreicht werden, dass beispielsweise Querbohrungen in der Wandung einer Zylinderlaufbahn beim Honen in Umfangsrichtung überbrückt werden können, so dass trotz axial kurzer Schneidstoffkörper nicht die Gefahr einer ungleichmäßigen Bearbeitung im Bereich von Querbohrungen auftritt. Bei Verwendung derartiger Honwerkzeuge kann außerdem mit einem sehr geringen Honüberlauf an den axialen Enden einer Bohrung gearbeitet werden, ohne dass Probleme mit ungleichmäßigem Schneidkörperverschleiß auftreten. Allerdings wurde beobachtet, dass in gewissen Fällen bei der Bearbeitung von nicht-zylindrischen Bohrungen (z.B. Bohrungen mit Flaschenform, Konusform oder Tonnenform) lokal unterschiedliche Oberflächenstrukturen aufgrund von unterschiedlichen Schnitt-Tiefen erzeugt werden können. Diese können technische Nachteile verursachen. Bei unerwünschter zu hoher lokaler Rauheit können z.B. Ölverbrauch und Blow By erhöht werden. Wird lokal ein zu geringer Materialabtrag erzeugt, kann aufgrund einer zu geringer Beseitigung von Materialschädigungen aus vorgelagerten Bearbeitungsstufen die Fressgefahr im Betrieb eines Verbrennungsmotors zunehmen. In der Nähe der axialen Enden einer Bohrung kann es zu Abweichungen des Schliffbilds vom Schliffbild im Rest der Bohrung kommen.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Honwerkzeug und ein damit durchführbares Feinbearbeitungsverfahren bereitzustellen, die es erlauben, Bohrungen unterschiedlicher Gestalt so zu bearbeiten, dass die bearbeiteten Bohrungsflächen über die gesamte Bohrungslänge eine gut definierbare Oberflächenstruktur aufweisen.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Honwerkzeug mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird ein Feinbearbeitungsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die an dem Werkzeugkörper angebrachte, aufweitbare Schneidgruppe weist mehrere radial zustellbaren Schneidstoffkörper-Träger auf, die jeweils einen Umfangswinkelbereich abdecken und mittels eines der Schneidgruppe zugeordneten Schneidgruppen-Zustellsystem radial zur Werkzeugachse zustellbar sind. Der Umfangswinkelbereich kann z.B. bei 30° oder mehr, bei 40° oder mehr, oder bei ca. 60° oder mehr oder sogar bei 90° oder mehr liegen. Jeder Schneidstoffkörper-Träger trägt an seiner radialen Außenseite mehrere schmale Schneidstoffkörper, die mit gegenseitigem seitlichen Abstand zueinander angeordnet sind und jeweils nur einen Bruchteil des Umfangswinkelbereichs abdecken. Zwischen den Schneidstoffkörpern verbleiben somit Zwischenräume oder Lücken ohne Schneidstoff. Hierdurch kann auch bei starkem Materialabtrag eine zuverlässige Schmierung mit Kühlschmierstoff und eine ausreichende Abfuhr von Bearbeitungsrückständen sichergestellt werden.
Die Schneidstoffkörper können vollständig aus Schneidmittel bestehen oder einen z.B. aus Metall bestehenden Träger aufweisen, der das Schneidmittel trägt. Das Schneidmittel kann z.B. Schneidkörner aus Diamant oder kubischem Bornitrid (CBN) aufweisen, die in einer metallischen oder keramischen Matrix gebunden sind.
Die Schneidstoffkörper sind nicht direkt bzw. unmittelbar auf die radiale Außenseite des zugehörigen Schneidstoffkörper-Trägers aufgebracht und auch nicht starr bzw. fest damit verbunden. Vielmehr ist vorgesehen, dass in einem Zwischenraum zwischen einem Schneidstoffkörper und dem den Schneidstoffkörper tragenden Schneidstoffkörper-Träger eine elastisch nachgiebige Zwischenschicht angeordnet ist, die den Zwischenraum zwischen dem Schneidstoffkörper und dem Schneidstoffkörper-Träger ausfüllt.
Jeder Schneidstoffkörper-Träger trägt also eine Schneidstoffkörper-Gruppe mit zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr jeweils relativ schmalen Schneidstoffkörpern, zwischen denen in Umfangsrichtung Lücken verbleiben. Die Schneidstoffkörper-Gruppe (Gruppe von Schneidstoffkörpern) wird durch den in sich im Wesentlichen starren Schneidstoffkörper-Träger getragen, so dass alle Schneidstoffkörper der Schneidstoffkörper-Gruppe gemeinsam radial zugestellt werden, wenn der Schneidstoffkörper-Träger radial zugestellt wird. Die Forderung nach radialer Zustellbarkeit des Schneidstoffkörper-Trägers bedingt, dass der Träger gegenüber dem Werkstückkörper beweglich gelagert sein muss, wobei vor allem eine Beweglichkeit in radialer Richtung erforderlich ist. Eine gewisse Kippung eines Schneidstoffkörper-Trägeres kann jedoch z.B. im Bereich des Honüberlaufs nicht völlig ausgeschlossen werden, da dort in Axialrichtung gesehen eine ungleiche Belastung der Schneidstoffkörper und damit des zugehörigen Schneidstoffkörper-Trägers entsteht.
Durch die elastisch nachgiebigen Zwischenschichten zwischen den Schneidstoffkörpern und dem sie tragenden Schneidstoffkörper-Träger ist in gewissem Umfang eine individuelle Flexibilität bzw. Beweglichkeit der Schneidstoffkörper gegenüber dem sie tragenden (starren) Schneidstoffkörper-Träger und relativ zu anderen Schneidstoffkörpern der Schneidstoffkörper-Gruppe gegeben. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch die Anpassungsfähigkeit des Honwerkzeugs bzw. der Schneidstoffkörper an unterschiedliche Orientierungen der zu bearbeitenden Oberfläche gegenüber herkömmlichen Lösungen noch weiter verbessert werden kann.
Verbesserungen können sich insbesondere bei Konusformen und/oder im Bereich von axialen Übergängen zwischen zylindrischen und konischen Bohrungsabschnitten und/oder im Bereich von axialen Übergängen zwischen Abschnitten unterschiedlicher Konuswinkel ergeben. Weiterhin können die Schneidstoffkörper ggf. auch vorhandenen Abweichungen von der Rundheit der Bohrung bei ovalen Bohrungsformen oder Rundheitsabweichungen höherer Ordnung besser folgen. Gegebenenfalls können sich Verbesserungen auch im Bereich des Umkehrpunkts der axial hin und her gehenden Honbewegung ergeben, also dort, wo beim Richtungswechsel ein Kippmoment auf die Anordnung aus Schneidstoffkörpern und dem tragenden Schneidstoffkörper-Träger entstehen kann.
Durch die Zwischenschicht kann unter anderem erreicht werden, dass ein Schneidstoffkörper trotz eines eventuell auf die Gesamtanordnung (Schneidstoffkörper-Träger mit Schneidstoffkörpern) wirkenden Kippmoments weitgehend parallel zur bearbeiteten Bohrungsfläche orientiert bleibt, wodurch eine gut definierbare gleichmäßige Oberflächenstruktur auch in axialen Übergangsbereichen unterschiedlicher Oberflächenorientierung und bis an die axialen Bohrungsenden sichergestellt werden kann. Dadurch, dass die Zwischenschicht den Zwischenraum zwischen dem Schneidstoffkörper und dem Schneidstoffkörper-Träger ausfüllt, kann kein Abrieb zwischen Schneidstoffkörper und Schneidstoffkörper-Träger gelangen, so dass die individuelle Flexibilität auch bei starkem Materialabtrag über den gesamten Honprozess hinweg erhalten bleibt.
Honwerkzeuge gemäß der Erfindung eignen sich in besonderer Weise zum Honen von Bohrungen mit axialer Kontur. Die individuell flexibel bzw. nachgiebig gelagerten Schneidstoffkörper können sich besonders gut an in Axialrichtung der Bohrung sich ändernde Neigungen der Bohrungsinnenfläche anpassen, z.B. am Übergang zwischen einem kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt und einem konischen Bohrungsabschnitt. Honoperationen, bei denen die Schneidstoffkörper der Kontur der Bohrung möglichst gut nachlaufen sollen, ohne die makroskopische Gestalt der Bohrung zu verändern, werden hier auch als „Nachlaufhonen“ bezeichnet. Auch bei der Honbearbeitung von unrunden Bohrungsformen mit Abweichungen von der Rotationssymmetrie können die Vorteile erfindungsgemäßer Honwerkzeuge genutzt werden.
Durch zahlreiche Versuche wurde ermittelt, dass es in der Regel günstig ist, wenn die Zwischenschicht eine Schichtdicke aufweist, die im Bereich von 0.1 mm bis 2 mm liegt, insbesondere im Bereich von 0.5 mm bis 1.5 mm. Bei Schichtdicken, die deutlich unter der unteren Grenze liegen, ist in der Regel die dadurch erzielbare Verkippbarkeit der Schneidstoffkörper gegenüber dem Schneidstoffkörper-Trägerelement nicht ausreichend, um bei allen auftretenden Fehlorientierungen einen Ausgleich schaffen zu können. Bei Schichtdicken, die deutlich oberhalb der oberen Grenze liegen, wird es schwieriger, eine ausreichende Stabilität der Schneidstoffleisten gegenüber Querbelastungen zu erhalten.
Um einen guten Kompromiss zwischen ausreichender Stabilität der Zwischenschicht gegen Querbelastungen und ausreichender Flexibilität zum Ausgleich von Fehlorientierungen zu erlauben, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine Shore-Härte der Zwischenschicht im Bereich von ca. 70 Shore-A bis 95 Shore-A liegt. Bei größeren Härten ist in der Regel eine ausreichende Nachgiebigkeit nicht mehr gegeben. Bei deutlich geringeren Härten kann die Anordnung der Schneidstoffleisten auf dem Schneidstoffkörper-Trägerelement zu labil werden, so dass bei der Honbearbeitung nicht mehr ausreichende Bearbeitungskräfte auf die zu bearbeitende Oberfläche gebracht werden können.
Bei bevorzugten Ausführungsformen weist die Zwischenschicht eine elastische Schicht aus einem Elastomer auf, insbesondere aus einem gummielastischen Polyurethan-Elastomer. Der Begriff „Elastomer“ steht hier für formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe, deren Glasübergangspunkt sich unterhalb der Einsatztemperatur befindet. Ein Elastomer kann sich bei Zug- und Druckbelastung elastisch verformen, findet aber danach in seine ursprüngliche unverformte Gestalt zurück. Solche Elastomere können beispielsweise durch Vulkanisation von Naturkautschuk oder Silikonkautschuk hergestellt werden. Klebfähige Elastomere sind besonders gut zu nutzen. Ein Vorteil von Polyurethan-Elastomeren liegt in der besonders großen Beständigkeit der Materialeigenschaften gegen den Einfluss von typischen Kühlschmiermitteln.
Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Zwischenschicht unmittelbar auf eine Kontaktfläche am Schneidstoffkörper oder auf die Außenfläche des Schneidstoffkörper-Trägerelements aufvulkanisiert ist. In diesem Fall wird zur Herstellung der Verbindung zwischen Zwischenschicht und dem daran angrenzenden Element kein weiteres Material (wie z.B. ein Haftvermittler oder ein Kleber) benötigt. Die flächige Verbindung mit dem anderen Element (Schneidstoffkörper oder Außenfläche des Schneidstoffkörper-Trägerelements) kann beispielsweise durch eine dünne Kleberschicht realisiert werden.
Bei manchen Ausführungsformen hat die Zwischenschicht einen mehrlagigen bzw. mehrschichtigen Aufbau. Insbesondere kann die Zwischenschicht so aufgebaut sein, dass sie eine erste Schicht und mindestens eine flächig damit verbundene zweite Schicht aufweist, wobei die erste Schicht eine Schicht aus einem Elastomer ist und die zweite Schicht eine mit der ersten Schicht flächig verbundene Kleberschicht ist.
Obwohl es möglich ist, dass die Kleberschicht (zweite Schicht) dicker als die Elastomerschicht (erste Schicht) ist, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Schichtdicke der ersten Schicht größer als die Schichtdicke der zweiten Schicht ist. Dadurch kann erreicht werden, dass der wesentliche Beitrag zur gewünschten Elastizität bzw. Flexibilität des Schneidstoffkörpers gegenüber dem Schneidstoffkörper-Trägerelement durch die Eigenschaften der ersten Schicht (Elastomerschicht) bestimmt wird.
Es ist möglich, dass ein gegebenenfalls relativ kleiner Beitrag zur Gesamtelastizität der Zwischenschicht durch die Kleberschicht geleistet wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Kleberschicht selbst in sich elastisch verformbar ist. Zur Herstellung der Kleberschicht können beispielsweise zähelastische Kleber, beispielsweise ein zähelastischer Zwei-Komponenten-Kunststoffkleber auf Acrylatbasis verwendet werden. Bei der Auswahl des Materials für die Kleberschicht sollte vorzugsweise darauf geachtet werden, dass eine gute Haftfestigkeit gegenüber dem Material der Schneidstoffkörper und/oder gegenüber dem Material der Außenseite des Schneidstoffkörper-Trägerelements vorhanden ist.
Zur Verbesserung der Haftfestigkeit an einer Klebestelle kann wenigstens eine der an die Kleberschicht angrenzenden Flächen vor Aufbringen des Klebers durch Sandstrahlen oder Schleifen oder auf andere Weise aufgeraut werden. Vorzugsweise liegt die gemittelte Rautiefe R_Z einer an die Kleberschicht angrenzenden Fläche eines z.B. aus Stahl gefertigten Schneidstoffkörper-Trägers und/oder des Schneidstoffkörpers im Bereich von R_Z = 10 µm bis R_z = 30 µm. Hierdurch sind dauerhaft hohe Haftfestigkeiten erzielbar. Auch die mit Kleber in Kontakt kommende Fläche des Zwischenschichtmaterials (z.B. Platte oder Streifen aus Polyurethan-Elastomer) kann vorher aufgeraut werden. Dabei haben sich mittlere Rautiefen im Bereich von R_Z = 15 µm bis R_Z = 40 µm als besonders günstig herausgestellt.
Die Erfindung kann bei unterschiedlichen Honwerkzeug-Typen genutzt werden. Beispielsweise können die Schneidstoffkörper-Träger in Axialrichtung länger sein als in Umfangsrichtung. Bei vielen Ausführungsformen weist die Schneidgruppe dagegen eine in Axialrichtung gemessene axiale Länge auf, die kleiner als ein wirksamer Außendurchmesser der Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern ist. Eine solche Schneidgruppe kann als ringförmige Schneidgruppe bezeichnet werden. Die Schneidstoffkörper können z.B. als in Umfangsrichtung schmale Schneidstoffleisten ausgebildet sein, deren Breite in Umfangsrichtung klein gegenüber der axialen Länge der Schneidstoffleisten ist.
Das Honwerkzeug hat vorzugsweise genau eine einzige ringförmige Schneidgruppe. Eine ringförmige Schneidgruppe kann so ausgelegt werden, dass in dem von der ringförmigen Schneidgruppe abgedeckten axialen Abschnitt wesentlich mehr Kontaktfläche zwischen Schneidstoffkörpern und Bohrungsinnenfläche existieren kann als in einem vergleichbar schmalen axialen Abschnitt eines konventionellen Honwerkzeugs mit relativ schmalen Honleisten.
Die axiale Länge der Schneidstoffkörper kann beispielsweise bei weniger als 40% oder weniger als 30% des wirksamen Außendurchmessers des Honwerkzeugs liegen, insbesondere zwischen 15% und 30% dieses Außendurchmessers. Bei Honwerkzeugen für die Bearbeitung typischer Zylinderbohrungen in Motorblöcken für PKW oder LKW kann die axiale Länge zum Beispiel im Bereich von 5 mm bis 40 mm, insbesondere 10 mm bis 35 mm liegen. Bezogen auf die Bohrungslänge einer zu bearbeitenden Bohrung kann die axiale Länge beispielsweise bei weniger als 20% oder weniger als 10% dieser Bohrungslänge liegen. Bezogen auf den Bohrungsdurchmesser einer zu bearbeitenden Bohrung kann die axiale Länge beispielsweise im Bereich von 20% bis 50% des Bohrungsdurchmessers liegen.
Da bei einer solchen ringförmigen Schneidgruppe die Schneidstoffkörper im Vergleich zu konventionellen Honleisten in Axialrichtung relativ kurz sind, können sich auch bei stabilen Zwischenschichten mit relativ geringer Dicke (z.B. 0,5 mm bis 1,5 mm) ausreichend starke Neigungswinkel zwischen Schneidstoffkörper und Werkzeugachse einstellen, wodurch eine besondere Fähigkeit zur Konturverfolgung begünstigt wird.
Wenn in der Schneidgruppe mindestens drei Schneidstoffkörper-Träger vorgesehen sind, so können die Bearbeitungskräfte über den gesamten durch Expandierung verfügbaren wirksamen Außendurchmesser des Honwerkzeugs gut und relativ gleichmäßig über den Umfang der Schneidgruppe verteilt werden. Es können zum Beispiel in der Schneidgruppe genau drei, genau vier, genau fünf, genau sechs, genau sieben oder genau acht Schneidstoffkörper-Träger gleicher oder unterschiedlicher Umfangsbreite vorgesehen sein. Mehr als acht Schneidstoffkörper-Träger innerhalb einer Schneidgruppe sind zwar möglich, machen die Konstruktion aber komplizierter und sind in der Regel nicht erforderlich. In manchen Fällen kann es gegebenenfalls auch ausreichen, wenn das Honwerkzeug nur zwei Honsegmente hat.
Die Erfindung betrifft auch ein Feinbearbeitungsverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Feinbearbeiten von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen. Im Verlauf des Feinbearbeitungsverfahrens wird mindestens eine Honoperation durchgeführt, bei der ein aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung auf und ab bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung gedreht wird. Bei dieser Honoperation wird ein Honwerkzeug gemäß der beanspruchten Erfindung verwendet. Diese Honoperation ist vorzugsweise die letzte Feinbearbeitungsoperation eines mehrstufigen Feinbearbeitungsverfahrens und bestimmt wesentlich die Oberflächenstruktur des Endprodukts.
Vor Beginn der Honoperation kann durch Feinbohren (mit geometrisch bestimmter Schneide), durch Honen (mit geometrisch unbestimmten Schneiden) oder durch eine Kombination beider Feinbearbeitungsverfahren (z.B. zuerst Feinbohren, danach Honen) eine signifikant von einer Kreiszylinderform abweichende Bohrungsform erzeugt werden. Die Bohrung kann z.B. so vorbearbeitet werden, dass sie vor Beginn der Honoperation einen axialen Konturverlauf (z.B. Tonnenform, Flaschenform oder Konusform) und/oder einen oder mehrere Abschnitte mit gezielt unrunder Form (z.B. Ovalform oder Kleeblattform) erhält. Die Honoperation kann dann im Wesentlichen formerhaltend so durchgeführt werden, dass an der Bohrungsinnenfläche die final gewünschte Oberflächenstruktur im Wesentlichen ohne Veränderung der Makroform der Bohrung unter Verwendung des Honwerkzeugs erzeugt wird. Dabei laufen die Schneidstoffkörper der vorab festgelegten Oberflächengestalt nach bzw. folgen dieser, wobei sich durch die individuell nachgiebige Lagerung der einzelnen Schneidstoffkörper eine besonders gute Nachverfolgungseignung ergibt.
Figurenliste
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:

1 eine schrägperspektivische schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Honwerkzeugs gemäß der beanspruchten Erfindung;
2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Teil eines Schneidstoffkörper-Trägers, an dessen Außenseite mehrere Schneidstoffleisten jeweils unter Zwischenschaltung einer elastisch nachgiebigen Zwischenschicht befestigt sind;
3 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungssituation im Bereich eines Übergangs zwischen einen zylindrischen und einem konischen Abschnitt einer rotationssymmetrischen Bohrung mit axialem Konturverlauf;
4 eine axiale Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Honwerkzeugs; und
5 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Teil eines Schneidstoffkörper-Trägers, an dessen Außenseite eine elastisch nachgiebige Schicht aufgebracht ist, die mehrere Schneidstoffkörper trägt, sowie ein vergrößertes Detail.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die schematische 1 zeigt eine schrägperspektivische Darstellung eines Honwerkzeugs 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Honwerkzeug dient zur Bearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mittels Honen und ist im Beispielsfall dafür ausgelegt, Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen zu honen. Das Honwerkzeug ist besonders gut auch zur Bearbeitung von rotationssymmetrischen Bohrungen geeignet, die Bohrungsabschnitte unterschiedlicher Durchmesser und/oder unterschiedlicher Gestalt haben, beispielsweise flaschenförmigen Bohrungen, tonnenförmigen Bohrungen und/oder Bohrungen, die mindestens einen konusförmigen Bohrungsabschnitt mit axial kontinuierlich veränderlichem Durchmesser aufweisen. Das Honwerkzeug kann jedoch auch zur Bearbeitung von kreiszylindrischen Bohrungen, also rotationssymmetrischen Bohrungen ohne axialen Konturverlauf, genutzt werden.
Das Honwerkzeug hat einen aus einem Stahlwerkstoff gefertigten Werkstoffkörper 110, der eine Werkzeugachse 112 definiert, die gleichzeitig die Rotationsachse des Honwerkzeugs während der Honbearbeitung ist. Am spindelseitigen Ende des Honwerkzeugs befindet sich eine Kupplungsstruktur 120 zum Ankoppeln des Honwerkzeugs an eine Antriebsstange oder eine Arbeitsspindel einer Honmaschine oder einer anderen Bearbeitungsmaschine, welche eine Arbeitsspindel aufweist, die sowohl um die Spindelachse drehbar als auch parallel zur Spindelachse oszillierend hin- und her bewegbar ist.
Bei Ausführungsbeispielen zur Verwendung an der Arbeitsspindel eines Bearbeitungszentrums kann z.B. eine Kupplungsstruktur nach Art eines Hohlschaftkegels oder eines anderen Kegels vorgesehen sein.
Am spindelabgewandten Endabschnitt des Werkzeugkörpers befindet sich eine aufweitbare ringförmige Schneidgruppe 130 mit einer Vielzahl von um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern 140-1, 140-2 etc., deren in Axialrichtung gemessene axiale Länge LS um ein Mehrfaches kleiner ist als ein wirksamer Außendurchmesser AD der Schneidgruppe 130 bei vollständig in Radialrichtung zurückgezogenen Schneidstoffkörpern. Die Schneidstoffkörper 140-1 etc. sind als in Umfangsrichtung schmale Schneidstoffleisten ausgebildet, deren in Umfangsrichtung gemessene Breite BS klein gegenüber der axialen Länge LS der Schneidstoffleisten ist. Ein Aspektverhältnis zwischen Länge LS und Breite BS kann beispielsweise im Bereich von 4:1 bis 20:1 liegen.
Das Honwerkzeug hat nur eine einzige ringförmige Schneidgruppe 130. Diese ist mehr oder weniger bündig mit dem spindelfernen Ende des Werkzeugkörpers angeordnet, so dass ggf. auch Sachlochbohrungen bis zum Bohrungsgrund bearbeitet werden können. Gestrichelt dargestellt ist ein optional vorhandener schlanker Kupplungsabschnitt am spindelabgewandten Ende des Honwerkzeugs. Dieser Kupplungsabschnitt kann z.B. im Rahmen eines automatischen Werkzeugwechsels als Kodierungselement genutzt werden.
Die Schneidgruppe bzw. die Schneidstoffkörper der Schneidgruppe sind mittels eines der Schneidgruppe zugeordneten Schneidgruppen-Zustellsystem radial zur Werkzeugachse zustellbar. Da diese für Honwerkzeuge typische Funktionalität an sich bekannt ist, werden die hierfür vorgesehenen Komponenten (beispielsweise Zustellstange(n), Aufweitkonus etc.) hier nicht näher beschrieben.
Die aufweitbare ringförmige Schneidgruppe 130 umfasst mehrere radial zustellbare Schneidstoffkörper-Träger 150-1, 150-2 etc., die jeweils einen Umfangswinkelbereich abdecken, der größer ist als die axiale Länge LS der Schneidstoffkörper bzw. der Schneidgruppe. Im Beispielsfall von 1 sind sechs Schneidstoffkörper-Träger 150-1 bis 150-6 vorgesehen, die jeweils einen Umfangswinkelbereich von zwischen 45° und 60° abdecken und gleichmäßig über den Umfang des Honwerkzeugs angeordnet sind.
Zwischen unmittelbar benachbarten Schneidstoffkörper-Trägern sind jeweils nicht-schneidende Führungsleisten 115-1 etc. am Werkzeugkörper befestigt. 1 zeigt das Honwerkzeug 100 mit zurückgezogenen Schneidstoffkörpern, so dass die als Führungsflächen dienenden Außenflächen der Führungsleisten die abrasiven Außenflächen der Schneidstoffkörper in Radialrichtung überragen. Vor und/oder während der Honbearbeitung werden die Schneidstoffkörper-Trägerelemente radial nach außen zugestellt, so dass sie in Eingriff mit der zu bearbeitenden Innenfläche der Bohrung treten.
Die Schneidstoffkörper-Träger sind im Beispielsfall einstückig aus einem Stahlwerkstoff hergestellt und daher in sich im Wesentlichen starr. Jeder Schneidstoffkörper-Träger hat einen in Umfangsrichtung relativ breiten Trägerabschnitt 152-1 etc. mit einer zylindrisch gekrümmten Außenseite 154 und einer dem Werkzeugkörper zugewandten, im Wesentlichen ebenen Innenseite, an der ein plattenförmiger Zustellabschnitt 156 nach innen ragt. An der der Außenseite 154 abgewandten Innenseite des Zustellabschnitts befindet sich eine Schrägfläche, die mit einer korrespondierenden Schrägfläche eines axial verschiebbaren Zustellkonus nach Art eines Keilantriebs zusammenwirkt, so dass eine axiale Bewegung der Zustellstange im Innern des Werkzeugkörpers zu einer radialen Bewegung des Schneidstoffkörper-Trägers führt. Der Zustellabschnitt 156 des Schneidstoffkörper-Trägers sitzt radial beweglich in einer im Wesentlichen rechteckförmigen Aussparung des Werkzeugkörpers, so dass eine Radialbewegung möglich, aber Kippbewegungen in Querrichtung dazu weitgehend vermieden werden. Die Schneidstoffkörper-Träger werden mithilfe mehrerer umlaufender Schraubenfedern in die nach innen zurückgezogene Position vorgespannt, so dass die radiale Zustellung nach außen gegen die Kraft dieser Rückstellfedern erfolgt.
Es gibt Ausführungsbeispiele, bei denen sämtliche Schneidstoffkörper-Träger bzw. sämtliche Schneidstoffkörper des Honwerkzeugs mit einer einzigen gemeinsamen Zustellung radial zugestellt werden können (Honwerkzeuge mit einfacher Aufweitung).
Beim Ausführungsbeispiel des Honwerkzeugs 100 in 1 handelt es sich um ein Honwerkzeug mit Doppelaufweitung. Die ringförmige Schneidgruppe 130 hat zwei unabhängig voneinander zustellbare Gruppen von Schneidstoffkörper-Trägern, wobei die drei Schneidstoffkörper-Träger einer Gruppe jeweils um 120° gegeneinander umfangsversetzt sind, so dass zwischen zwei benachbarten Schneidstoffkörper-Trägern einer der Gruppen ein Schneidstoffkörper-Träger der anderen Gruppe angeordnet ist.
An dem Honwerkzeug sind besondere konstruktive Vorkehrungen getroffen, die dazu beitragen können, das Bearbeitungsergebnis an der mit dem Honwerkzeug bearbeiteten Bohrungen dahingehend zu optimieren, dass über die gesamte Bohrungslänge, insbesondere auch im Bereich von Übergängen zwischen Bohrungsabschnitten unterschiedlicher Gestalt und/oder im Bereich von Umkehrpunkten der axialen Honbewegung die gewünschte Oberflächenstruktur mit relativ gleichmäßiger Qualität erzeugt werden kann.
Wie in 1 erkennbar, hat jeder Schneidstoffkörper-Träger an seiner radialen Außenseite 154 mehrere Schneidstoffkörper in Form von Schneidstoffleisten, die mit gegenseitigem Umfangsabstand zueinander angeordnet sind. Diese Schneidstoffkörper-Gruppen bzw. Leistengruppen von gemeinsam auf einem Schneidstoffkörper-Träger angebrachten Schneidstoffleisten können beispielsweise aus zwischen drei und zehn Schneidstoffleisten bestehen. Im Beispielsfall sind auf jedem Schneidstoffkörper-Trägere sieben Schneidstoffleisten in gleichmäßigem Umfangsabstand zueinander angeordnet. Der Umfangsabstand liegt bei den schmaleren Schneidstoffleisten etwa in der Größenordnung der Breite der Schneidstoffleisten oder darüber, bei den breiteren Schneidstoffleisten etwa in der Größe der Breite der Schneidstoffleisten oder darunter.
Die Schneidstoffkörper sind nicht starr mit dem sie tragenden Schneidstoffkörper-Träger verbunden. Stattdessen gibt es zwischen jeder der Schneidstoffleisten und dem die Schneidstoffleiste tragenden Schneidstoffkörper-Träger einen Zwischenraum, in welchem eine elastisch nachgiebige Zwischenschicht 160 angeordnet ist, die den Zwischenraum zwischen der Schneidstoffleiste und dem Schneidstoffkörper-Trägerelement im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Durch die elastisch nachgiebige Zwischenschicht wird erreicht, dass die Schneidstoffkörper bei äußerer Belastung sich relativ zum Schneidstoffkörper-Träger in begrenztem Umfang und gegen die Rückstellkraft durch die Zwischenschicht begrenzt bewegen können. Die Schneidstoffleisten haben dabei jeweils individuelle Flexibilität, können sich also jeweils unabhängig von den benachbarten Schneidstoffleisten geringfügig verlagern.
Die Zwischenschicht hat im Beispielsfall eine Schichtdicke SD von ca. 1 mm, wodurch ein guter Kompromiss zwischen ausreichender Nachgiebigkeit und hinreichender Stabilität der Schneidstoffkörper gegen Querkräfte erzielbar ist. Die Zwischenschicht besteht im Wesentlichen aus einem gummielastischen Polyurethan-Elastomer mit einer Härte im Härtebereich von zwischen 75 und 85 Shore A. Geeignete elastische Polyurethan-Kunststoffe sind beispielsweise unter dem Handelsnamen Vulkollan® oder Urepan® kommerziell verfügbar. Das Zwischenschichtmaterial ist porenfrei, also dicht, so dass kein Kühlschmierstoff eindringen kann und die elastischen Eigenschaften dauerhaft beständig bleiben. Das Material ist auch chemisch gegenüber Kühlschmierstoffen beständig und in der rauen Bearbeitungsumgebung auch gegen den Abrieb der Honbearbeitung mechanisch hinreichend beständig.
Es ist möglich, bei der Herstellung des Honwerkzeugs vorkonfektionierte schmale dünne Streifen des Zwischenschichtmaterials zunächst auf die Außenseite des Schneidstoffkörper-Trägers aufzukleben und danach die dafür vorgesehenen leistenförmigen Schneidstoffkörper (Schneidstoffleisten) mit einem geeigneten Kleber aufzukleben.
Eine Variante der Herstellung kommt ohne Haftvermittler zwischen dem Zwischenschichtmaterial und den Schneidstoffkörpern aus. Bei dieser Variante wird zunächst eine Platte aus Schneidstoffkörpermaterial hergestellt. Danach wird auf die als Befestigungsseite (Kontaktseite) vorgesehene Seite eine Schicht aus dem Vorläufer des fertigen Zwischenschichtmaterials aufvulkanisiert, so dass durch das Vulkanisieren ein mechanisch fester Haftkontakt zwischen dem Schneidstoffkörpermaterial und dem Zwischenschichtmaterial entsteht. Anschließend können dann die einzelnen, jeweils mit Zwischenschicht versehenen Schneidstoffkörper durch Auftrennen der beschichteten Schneidstoffkörperplatte hergestellt werden. Es wäre auch möglich, einzelne Schneidstoffleisten jeweils einseitig mit einer aufvulkanisierten Elastomerschicht zu versehen und diese dann auf das Schneidstoffkörper-Trägerelement aufzukleben.
Es ist auch möglich, zunächst die Außenseite eines Schneidstoffkörper-Trägerelements mit einer Schicht aus Zwischenschichtmaterial mehr oder weniger vollflächig zu beschichten (z.B. durch Aufkleben) und danach die Schneidstoffleisten an den dafür vorgesehenen Stellen durch Kleben zu befestigen. Zwischen benachbarten Schneidstoffleisten bleibt dann das Zwischenschichtmaterial frei (vgl. 5).
Für die Herstellung einer flächigen Klebeverbindung zwischen einem Schneidstoffkörper und einem Streifen aus elastischem Zwischenschichtmaterial und/oder einer Klebeverbindung zwischen einer Zwischenschicht aus Polyurethan-Kunststoff und der Außenseite des Schneidstoffkörper-Trägerelements wird bei bevorzugten Ausführungsformen ein zähelastischer Zwei-Komponenten-Konstruktionsklebstoff auf Acrylatbasis verwendet. Die dadurch erhältliche Klebung zeichnet sich durch hohe Haftfestigkeit aus. Außerdem ist die Klebeschicht in sich geringfügig elastisch, so dass eine mehrlagige elastisch nachgiebige Zwischenschicht entsteht, die auch nach dauerhafter Wechselbeanspruchung gute Haftung bietet.
Eine Verbesserung der Haftfestigkeit kann erreicht werden, wenn die in Kontakt mit dem Kleber kommenden Flächen des Zwischenschichtmaterials, der Schneidstoffkörper-Trägers und/oder des Schneidstoffkörpers eine relativ raue Oberflächenstruktur haben. Die Oberflächen können ggf. vor dem Kleberauftrag durch Schleifen, Sandstrahlen oder auf andere Weise aufgeraut werden, z.B. auf gemittelte Rautiefen im Bereich von R_Z = 15 µm bis R_Z = 30 µm.
Durch Zwischenschaltung einer elastisch nachgiebigen Zwischenschicht zwischen den Schneidstoffleisten und den Schneidstoffkörper-Trägerelementen kann die Fähigkeit des Honwerkzeugs zur Konturverfolgung bei der Bearbeitung und/oder Erzeugung von Bohrungen mit axialem Konturverlauf allgemein verbessert werden, da sich die Schneidstoffleisten gegenüber dem starren Schneidstoffkörper-Trägerelement geringfügig ausrichten und so eine gleichmäßigere Anpressung an die Bohrungsinnenfläche erreichen können.
Eine besondere Phase der Bearbeitung ist in 3 schematisch dargestellt. Erkennbar ist ein Ausschnitt eines Werkstücks 300 in Form eines Motorblocks (Zylinderkurbelgehäuse) für eine Brennkraftmaschine. Die zu bearbeitende Bohrung 320 wird durch eine Bohrungsinnenfläche 322 begrenzt. Die Bohrungsinnenfläche ist die bei der Honbearbeitung zu bearbeitende Werkstückoberfläche. Die Bohrung 320 ist in Bezug auf ihre nicht dargestellte Bohrungsachse rotationssymmetrisch und erstreckt sich über eine Bohrungslänge von dem dargestellten, im Einbauzustand dem Zylinderkopf zugewandten Bohrungseintritt 314 bis zu einem axial gegenüberliegenden Bohrungsaustritt. Die Bohrung kann in mehrere axial aneinander angrenzende Bohrungsabschnitte unterschiedlicher Funktion unterteilt werden, die gleitend, d.h. ohne Bildung von Stufen oder Kanten, ineinander übergehen. Unmittelbar am Bohrungseintritt 314 beginnt ein erster Bohrungsabschnitt 322, der nach Abschluss der Bearbeitung eine im Wesentlichen kreiszylindrische Gestalt, also keinen axialen Konturverlauf, haben soll. An diesem kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt schließt sich in Richtung des gegenüberliegenden Bohrungsendes ein konischer zweiter Bohrungsabschnitt 324 an, in welchem sich der Bohrungsdurchmesser von der Eintrittsseite in Richtung der Austrittseite kontinuierlich vergrößert. Der konische Bohrungsabschnitt kann bis zum Bohrungsaustritt reichen. Es ist auch möglich, dass sich an den konischen Bohrungsabschnitt ein weiterer im Wesentlichen kreiszylindrischer Abschnitt anschließt, der dann einen größeren Durchmesser hat als der eintrittsseitige erste Bohrungsabschnitt 322. In einem solchen Fall hätte die Bohrung dann wenigstens annähernd eine Flaschenform. Die Übergangsbereiche zwischen den Bohrungsabschnitten sind (abweichend von der schematischen Zeichnung) kontinuierlich gekrümmt. Es können konvexe oder konkave Übergangsbereiche vorliegen.
Im 3 ist eine Phase der Honbearbeitung gezeigt, in welcher sich die ringförmige Schneidgruppe 330, beispielsweise bei einer Abwärtsbewegung vom Bohrungseintritt 314 in Richtung Bohrungsaustritt, auf Höhe eines Übergangsabschnitts 323 zwischen dem kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitt 322 und dem nach unten folgenden konischen zweiten Bohrungsabschnitt 324 befindet. Ein vorauseilender Teil der Schneidstoffkörper 140 hat bereits vom zylindrischen Bohrungsabschnitt kommend den konischen Bohrungsabschnitt erreicht, in welchem sich die Bohrung erweitert und die Mantelfläche der Bohrung gegenüber der Bohrungsachse schräg gestellt bzw. geneigt ist. Hier kann sich eine axial ungleiche Belastung ergeben, die zur Entstehung eines Kippmoments und ggf. zu einer leichten Verkippung des Schneidstoff-Trägers 150 führen kann. Die elastisch nachgiebige Zwischenschicht 160 kann einen Teil dieser Verkippung ausgleichen, indem der obere Teil stärker zusammengedrückt wird als der zum Bohrungsende vorauseilende untere Teil. Dadurch können sich auch bei der Honbearbeitung des konischen Bohrungsabschnitts relativ gleichmäßig verteilte Bearbeitungskräfte ergeben, so dass die Oberflächenstruktur über die gesamte Bohrungslänge, also inklusive sowohl des zylindrischen Bohrungsabschnitts als auch des konischen Bohrungsabschnitts als auch des Übergangsabschnitts relativ einheitlich bleiben kann.
Aufgrund der elastisch nachgiebigen Zwischenschicht sind die Schneidstoffkörper gegenüber dem Schneidstoffkörper-Träger nicht nur in Axialrichtung (um eine tangential zum Honwerkzeug verlaufende Kippachse) verkippbar, wie das in 3 schematisch gezeigt ist. Auch eine Verkippung in Umfangsrichtung ist in geringem Umfang möglich. Diese Kippbewegung kann z.B. um eine im Wesentlichen achsparallele Kippachse erfolgen. Dadurch können die Schneidstoffkörper der Bohrungsinnenfläche auch dann fast ohne Zwangskräfte folgen, wenn die makroskopische Gestalt der Bohrungsinnenfläche im bearbeiteten Abschnitt von einer rotationssymmetrischen Gestalt signifikant abweicht. So können beispielsweise Bohrungsabschnitte mit ovaler Gestalt oder mit Kleeblattform oder Unrundheit höherer Ordnungen oder mit irregulären nicht-rotationssymmetrischen Formen dank der individuellen Flexibilität der Schneidstoffkörper mittels Honen so bearbeitet werden, dass über den gesamten Umfang und/oder über die gesamte Länge der Bohrung eine relativ gleichmäßige Oberflächenstruktur erzielt werden kann. Dies wird u.a. dadurch erreicht, dass die Schneidstoffkörper der vorgegeben Oberflächengestalt aufgrund der elastisch nachgiebigen Zwischenschicht in gewissem Umfang nachlaufen können, so dass Andruckkraftspitzen, wie sie bei starr am Schneidstoffkörper-Träger befestigten Schneidstoffkörpern auftreten könnten, abgemildert oder vermieden werden. Somit kann trotz unrunder Bohrung und/oder axialer Bohrungskontur über die gesamte Bohrungsinnenfläche eine relativ gleichmäßige Schnitttiefe erzielt werden. Dies kann sowohl für weitgehend glatte Endoberflächen als auch für Oberflächen mit Plateaustruktur günstig sein.
Bei dem Honwerkzeug 100 mit Doppelaufweitung sind die drei Schneidstoffkörper-Träger einer Gruppe jeweils um 120° gegeneinander umfangsversetzt. Die Schneidstoffkörper einer Gruppe sind vorzugsweise untereinander identisch. Die Schneidstoffkörper einer ersten Gruppe unterscheiden sich vorzugsweise von den Schneidstoffkörpern einer zweiten Gruppe. Beispielsweise können die Schneidstoffkörper der beiden Gruppen unterschiedliche Breiten haben und/oder sie können mit unterschiedlichen Umfangsabständen und/oder unterschiedlicher Teilung auf den Schneidstoffkörper-Trägern angebracht sein. Es ist möglich, dass die Schneidstoffkörper einer der Gruppen für eine gröbere Bearbeitung mit gröberem Korn und die Schneidstoffkörper der anderen Gruppe für eine feinere Bearbeitung mit feinerem Korn ausgestattet sind. Es ist auch möglich, dass nicht alle Schneidstoffkörper einer ringförmigen Schneidgruppe mittels einer elastisch nachgiebigen Zwischenschicht auf den zugeordneten Schneidstoffkörper-Trägern befestigt sind. Es kann z.B. sein, dass bei einer ersten Gruppe die Schneidstoffkörper ohne Zwischenschaltung einer elastischen Zwischenschicht direkt auf dem Schneidstoffkörper-Träger sitzen und damit starr mit ihm verbunden sind, während bei der anderen Gruppe die Schneidstoffkörper individuell nachgiebig über eine elastische Zwischenschicht auf den Schneidstoffkörper-Träger befestigt sind. Beispielsweise kann eine erste Gruppe vorgesehen sein, die für ein Konturhonen vorgesehen ist und starr mit den Schneidstoffkörper-Trägern verbundene Schneidleisten aufweist, während die zweite Gruppe für einen nachfolgenden Fertighonprozess vorgesehen ist und mit Schneidstoffkörpern ausgestattet ist, die relativ zum Schneidstoffkörper-Träger elastisch nachgiebig befestigt sind. Bei einer anderen Prozesskette ist es auch möglich, eine erste Gruppe für einen Zwischenhonprozess auszugestalten und die zweite Gruppe für den nachfolgenden Fertighonprozess, wobei die Schneidstoffkörper beider Schneidgruppen elastisch nachgiebig auf den zugeordneten Schneidstoffkörper-Trägern befestigt sind.
Anhand von 4 wird ein Honwerkzeug 400 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel erläutert. 4 zeigt das Honwerkzeug in axialer Ansicht vom spindelabgewandten Ende. Das Honwerkzeug hat eine einzige ringförmige Schneidgruppe 430, die am spindelfernen Endbereich des Werkzeugkörpers angeordnet ist und insgesamt acht Schneidstoffkörper-Träger 450-1 bis 450-8 aufweist, die jeweils radial zur Werkzeugachse 412 zustellbar sind und jeweils einen Umfangswinkelbereich abdecken, der größer als die axiale Länge der Schneidstoffkörper bzw. der Schneidgruppe ist. Jeder der Schneidstoffkörper-Träger deckt einen Umfangsbereich von ca. 40° ab.
Die Schneidstoffkörper-Träger 450-1 und 450-2 zählen gemeinsam mit den jeweils diametral gegenüberliegenden Schneidstoffkörper-Trägern 450-5 und 450-6 zu einer ersten Gruppe von Schneidstoffkörper-Trägern, die relativ schmale Schneidleisten 440-1 tragen. Die Schneidstoffkörper-Träger 450-3, 450-4, 450-7 und 450-8 gehören zu einer zweiten Gruppe von Schneidstoffkörper-Trägern, deren Schneidstoffkörper-Träger jeweils Schneidleisten 440-2 mit etwas größerer Umfangsbreite tragen. Zwischen unmittelbar benachbarten Paaren von Schneidstoffkörper-Trägern sind jeweils nicht-schneidende Führungsleisten 415-1 etc. befestigt. Somit liegen unmittelbar benachbarte Schneidstoffkörper-Träger der gleichen Gruppe ohne zwischengeschaltete Führungsleiste in Umfangsrichtung nebeneinander, während zwischen benachbarten Schneidstoffkörper-Trägern unterschiedlicher Gruppen jeweils eine der Führungsleisten angeordnet ist.
Die vier Schneidstoffkörper-Träger einer Gruppe können jeweils gemeinsam radial zugestellt und zurückgezogen werden, die beiden Gruppen können unabhängig voneinander radial zugestellt und zurückgezogen werden. So ist es möglich, mit einer ersten Gruppe eine vorgeschaltete erste Honoperation durchzuführen, diese Gruppe danach zurückzuziehen, die andere Gruppe radial zuzustellen und dann mit den Schneidstoffkörpern der zweiten Gruppe eine nachgeschaltete zweite Honoperation durchzuführen.
Anhand von 5 wird eine andere Möglichkeit zur Befestigung einzelner leistenförmiger Schneidstoffkörper 540-1 etc. auf einen gemeinsamen Schneidstoffkörper-Träger 552 erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine dünne biegsame Platte 560' aus Elastomer (Dicke ca. 1 mm) auf die zylindrisch gekrümmte Außenseite 554 des metallischen Schneidstoffkörper-Trägers 552 aufvulkanisiert oder aufgeklebt. Die einzelnen Schneidstoffkörper 540-1 etc. werden dann auf die Außenseite der Elastomerschicht aufgeklebt. Dazu wird zunächst die Außenseite 562 durch Sandstrahlen, Schleifen oder auf andere Weise bis auf eine mittlere Rautiefe von z.B. 20-40 µm aufgeraut. Außerdem wird die Rückseite 542 des Schneidstoffkörpers, die mit der elastischen Zwischenschicht verbunden werden soll, ebenfalls mittels Sandstrahlen, Schleifen oder auf andere Weise aufgeraut, wobei typische Rautiefen meist im Bereich zwischen 10 µm und 20 µm liegen. Der Kleber für die Kleberschicht 565 kann einseitig oder beidseitig aufgetragen werden, bevor der jeweilige Schneidstoffkörper an der vorgesehenen Stelle auf die Außenseite der Elastomer-Platte aufgedrückt wird, bis der Kleber ausgehärtet ist. Durch die Aufrauhung der an die Kleberschicht 565 angrenzenden Oberflächen des Schneidstoffkörpers und der Elastomer-Platte kann die Dauer-Haftfestigkeit im Vergleich zu nicht aufgerauten Flächen deutlich gesteigert werden. Diese biegsame Platte 560' bildet eine Elastomerschicht, die zusammen mit (mindestens) einer angrenzenden Kleberschicht 565 eine mehrschichtige Zwischenschicht 560 bildet.
Die Vorteile von Honwerkzeugen gemäß der Erfindung können unabhängig von der Art der Vorbearbeitung der zu honenden Bohrung erzielt werden. Vor Beginn der Honoperation, bei der das Honwerkzeug verwendet wird, kann durch Feinbohren und/oder durch Honen eine von der Kreiszylinderform signifikant abweichende Bohrungsform erzeugt werden. Mithilfe der Honoperation kann dann aufgrund der Verwendung eines Honwerkzeugs mit individuell elastisch nachgiebigen Schneidstoffkörpern die an der Bohrungsinnenfläche gewünschte Oberflächenstruktur im Wesentlichen ohne Veränderung der vorher festgelegten Makroform der Bohrung durchgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1652074 [0011]
DE 102013204714 A1 [0012]

Claims

Honwerkzeug (100, 400) zur Bearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung (320) in einem Werkstück (300) mithilfe mindestens einer Honoperation, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, umfassend: einen Werkzeugkörper (110), der eine Werkzeugachse (112, 412) definiert; eine an dem Werkzeugkörper angebrachte aufweitbare Schneidgruppe (130, 430) mit mehreren radial zustellbaren Schneidstoffkörper-Trägern (150-1, 150-2, 450-1. 450-2), die jeweils einen Umfangswinkelbereich abdecken und mittels eines der Schneidgruppe zugeordneten Schneidgruppen-Zustellsystem radial zur Werkzeugachse (112, 412) zustellbar sind, wobei jeder Schneidstoffkörper-Träger an seiner radialen Außenseite (154, 454) mehrere schmale Schneidstoffkörper (140-1, 140-2, 140-3) trägt, die mit gegenseitigem Abstand zueinander angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zwischenraum zwischen einem Schneidstoffkörper und dem den Schneidstoffkörper tragenden Schneidstoffkörper-Träger (150-1, 150-2, 450-1. 450-2) eine elastisch nachgiebige Zwischenschicht (160, 560) angeordnet ist, die den Zwischenraum zwischen dem Schneidstoffkörper und dem Schneidstoffkörper-Träger ausfüllt.
Honwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (160, 560) eine Schichtdicke (SD) aufweist, die im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm, insbesondere im Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm liegt.
Honwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Shore-Härte der Zwischenschicht (160, 560) im Bereich von 70 Shore A bis 95 Shore A liegt.
Honwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (160, 560) eine Schicht aus einem Elastomer aufweist, insbesondere aus einem gummielastischen Polyurethan-Elastomer.
Honwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (160) unmittelbar auf eine Kontaktfläche am Schneidstoffkörper (140-1, 140-2, 140-3) oder die Außenfläche (154) des Schneidstoffkörper-Trägerelements aufvulkanisiert ist.
Honwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (560) eine erste Schicht und mindestens eine flächig damit verbundene zweite Schicht aufweist, wobei die erste Schicht eine Schicht (560') aus einem Elastomer ist und die zweite Schicht eine mit der ersten Schicht flächig verbundene Kleberschicht (565) ist.
Honwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidgruppe eine in Axialrichtung gemessene axiale Länge (LS) aufweist, die kleiner als ein wirksamer Außendurchmesser (AD) der Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern ist.
Honwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidstoffkörper als in Umfangsrichtung schmale Schneidstoffleisten (140-1, 140-2, 140-3, 440-1, 440-2) ausgebildet sind, deren Breite (BS) in Umfangsrichtung klein gegenüber der axialen Länge (LS) der Schneidstoffleisten ist.
Honwerkzeug nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Honwerkzeug mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: (i) die axiale Länge (LS) der Schneidstoffkörper liegt bei weniger als 40% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe; (ii) die axiale Länge (LS) der Schneidstoffkörper liegt im Bereich von 5 mm bis 40 mm; (iii) die axiale Länge (LS) der Schneidstoffkörper beträgt weniger als 20% der Bohrungslänge der Bohrung; (iv) die axiale Länge (LS) der Schneidstoffkörper liegt im Bereich von 20% bis 50% des Bohrungsdurchmessers; (v) ein Aspektverhältnis zwischen der axialen Länge (LS) und der Breite (BS) der Schneidstoffkörper liegt im Bereich von 4:1 bis 20:1.
Feinbearbeitungsverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Feinbearbeiten von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, wobei das Feinbearbeitungsverfahren mindestens eine Honoperation umfasst, bei der ein aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung auf und ab bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Honoperation ein Honwerkzeug mit den Merkmalen von mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.
Feinbearbeitungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn der Honoperation durch Feinbohren und/oder Honen eine von der Kreiszylinderform abweichende Bohrungsform erzeugt wird und dass eine Honoperation zur Erzeugung der an der Bohrungsinnenfläche gewünschten Oberflächenstruktur im Wesentlichen ohne Veränderung der Makroform der Bohrung unter Verwendung des Honwerkzeugs durchgeführt wird.