DE102017221316B4

DE102017221316B4 - Honverfahren und Honmaschine zur Durchführung des Honverfahrens

Info

Publication number: DE102017221316B4
Application number: DE102017221316.7A
Authority: DE
Inventors: Malte Ossenkop; Ronald Angerbauer
Original assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2024-08-01
Anticipated expiration: 2037-11-29
Also published as: DE102017221316A1

Abstract

Honverfahren zur Bearbeitung einer Innenfläche (107) einer Bohrung (108) in einem Werkstück (106) mithilfe mindestens einer Honoperation, worin zur Durchführung einer Honoperationein an eine Spindel (116) einer Bearbeitungsmaschine angekoppeltes, aufweitbares Honwerkzeug (200) in die Bohrung (108) eingeführt wird,mittels eines Hubantriebs (124) eine in Axialrichtung der Bohrung (108) hin und her gehende Relativbewegung zwischen dem Honwerkzeug (200) und der Bohrung (108) erzeugt wird,das Honwerkzeug (200) gleichzeitig mittels eines Drehantriebs (118) zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung gedreht wird, undmindestens ein an dem Honwerkzeug (200) angebrachter Schneidstoffkörper (210) zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche (107) mit einer Zustellkraft an die Innenfläche (107) angedrückt wird,wobei der Hubantrieb (124) und der Drehantrieb (118) durch Steuersignale der Steuereinheit (180) nach Maßgabe eines aufgrund von Honparametern generierten Honprogramms gesteuert werden, gekennzeichnet durcheine steuerungsintegrierte Abtragssimulation, die für das in der Steuereinheit (180) generierte Honprogramm eine sich daraus ergebende örtliche Verteilung des Abtrags auf der Innenfläche (107) der Bohrung (108) simuliert,wobei bei der steuerungsintegrierten Abtragssimulation als Grundlage für die Ermittlung der örtlichen Verteilung des Abtrags eine örtliche Verteilung einer Überdeckung der Innenfläche (107) durch Schneidstoffkörper (210) ermittelt wird, wobei die Überdeckung für jedes Flächenelement (FE) der Innenfläche (107) angibt, wie häufig das Flächenelement (FE) durch ein Flächenelement eines Schneidstoffkörpers (210) überfahren wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mithilfe mindestens einer Honoperation gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine zur Durchführung des Honverfahrens geeignete Honmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen.
Die qualitätsbestimmende Endbearbeitung von tribologisch beanspruchbaren Innenflächen von Bohrungen, wie z.B. Zylinderlaufflächen in Zylinderblöcken (Zylinderkurbelgehäusen) oder Zylinderlaufbuchsen, erfolgt in der Regel mit geeigneten Honverfahren, die meist mehrere aufeinanderfolgende Honoperationen umfassen. Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, welches mit einem aufweitbaren Honwerkzeug durchgeführt wird. Das Bearbeitungsverfahren Honen arbeitet mit gebundenem Schneidkorn unter ständiger Flächenberührung zwischen den abrasiven Schneidstoffkörpern des Honwerkzeugs und der Bohrungsoberfläche. Bei einer Honoperation wird ein aufweitbares Honwerkzeug verwendet. Mittels eines Hubantriebs wird eine in Axialrichtung der Bohrung hin- und her gehende Relativbewegung (Hubbewegung) zwischen dem Honwerkzeug und dem Werkstück bzw. der Bohrung erzeugt. In der Regel wird dazu das Honwerkzeug innerhalb der zu bearbeitenden Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung hin- und her bewegt, während das Werkstück fest eingespannt ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine oszillierende axiale Hubbewegung des Werkstücks erzeugt werden. Gleichzeitig wird das Honwerkzeug zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung mit einer vorgebbaren Drehzahl gedreht. Zur Aufweitung des Honwerkzeugs werden die am Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper (z.B. Honleisten) über ein Zustellsystem mit einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft und/oder Zustellgeschwindigkeit zugestellt und dadurch mit einer Andrückkraft 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.
Honen ist eine Feinbearbeitung von Bohrungen, die hochpräzisen Bauteilen ihre endgültige Form und vor allem eine ganz spezifische Oberflächenbeschaffenheit verleiht. Schon bei klassischen Honverfahren zur Erzielung einer möglichst zylindrischen Bohrungsform mit definierter Oberfläche ist die Bestimmung von optimalen Honparametern zur Schaffung einer perfekt runden und zylindrischen Bohrung anspruchsvoll und erfordert meist eine aufwändige Erprobung mit einer Vielzahl von Einrichtwerkstücken. Zudem werden eine Versuchsmaschine, Werkzeuge und ein Honspezialist zur Optimierung des Prozesses benötigt.
Neuere Honverfahren verschärfen die Situation zusätzlich. So zeichnet sich beispielsweise das Spiralgleithonen (vgl. z.B. DE 196 07 774 A1 ) dadurch aus, dass eine hohe Hubgeschwindigkeit einer geringen Drehzahl gegenübersteht. Durch diese Konstellation kann es Arbeitsbewegungen geben, bei denen die Honleisten immer wieder die gleichen Bereiche einer Bohrung überfahren und bearbeiten und es Regionen der Bohrungen gibt, die weniger oder gar nicht bearbeitet werden. Dadurch bedingt kann es zu einer ungewollt ungleichmäßigen örtlichen Verteilung des Materialabtrags kommen.
Ein weiteres Beispiel stellt das Formhonen dar, dessen Ziel nicht kreiszylindrische Bohrungen sind, sondern Bohrungen mit unrundem Querschnitt und/oder mit einem axialen Konturverlauf. Beim Formhonen von Zylinderlaufflächen gilt es z.B., Zustände der Bohrung im Betrieb vorwegzunehmen, so dass sich unter Betriebsbedingungen (bei verspannungsbedingter Verformung der Bohrung durch den Zylinderkopf bei einem Motorblock sowie bei Formabweichungen durch die Betriebstemperatur eines Motors) eine zylindrische und runde Bohrung ergibt. Zum einen gilt es beim Formhonen zu kontrollieren, ob die gewünschte Form erreicht wird. Zum anderen sollte die Bohrung in der Regel in einer zweiten Honstufe für die Schaffung spezifischer Oberflächeneigenschaften als Ganzes gleichmäßig überstrichen werden. Wegen der unrunden und nicht zylindrischen Form der Bohrung kommen im Vergleich zu klassischen Honverfahren häufig axial sehr kurze Schneidstoffkörper zum Einsatz (vgl. z.B. EP 1 790 435 B1 oder DE 10 2013 204 714 A1 ). Je kürzer die Schneidstoffkörper sind, desto größer ist jedoch die Gefahr einer ungewollt ungleichmäßigen Verteilung des Abtrags.
Eine im Stand der Technik häufig genutzte Möglichkeit zur Ermittlung optimaler Sätze von Honparametern für einen neu zu entwickelnden Honprozess besteht darin, neue Honparameter durch die Fertigung von Versuchswerkstücken (Einrichtwerkstücken) zu erproben. Die erprobten Werkstücke werden vermessen, wobei es dann vom Messergebnis abhängt, ob eine Erprobung mit weiteren modifizierten Honparametersätzen notwendig ist. Dieser experimentelle Ansatz erfordert einen hohen zeitlicher Aufwand sowie die Bereitstellung von Versuchsmaschinen und Werkzeugen. Auch der Verbrauch an Einrichtwerkstücken ist zu beachten, die sehr kostspielig sein können, insbesondere wenn es sich um Vorserienteile handelt.
Es gibt auch Ansätze der theoretischen Ermittlung optimaler Honparameter. Der Artikel „Methodik zur Zielformverbesserung und Bearbeitungszeitreduktion beim Formhonen von Zylinderlaufbahnen" von A. Wiens, G. Flores, H.-W. Hoffmeister und M. Lahres in: Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren, 65. Ausgabe, Vulkan-Verlag Essen, 11.2011, Seiten 1 - 10 beschreibt eine prozessbegleitende modellgestützte Verfahrensentwicklung, die ein Kontaktzeitmodell zur Berechnung der örtlichen Einwirkdauer zwischen Formhonleisten und Werkstück in Abhängigkeit der Prozessparameter umfasst. Dadurch soll der örtliche Kontakt zwischen Formhonleisten und Werkstück in Abhängigkeit von der Bearbeitungsdauer, den kinematischen Parametern und den geometrischen Randbedingungen von Werkstück und Werkzeug berechnet werden können. Die aus dem Überfahrvorgang der Werkstückoberfläche durch die Formhonleisten resultierende lokale Kontaktzeit wird zeitdiskret berechnet und ortsaufgelöst aufsummiert, sodass sich entsprechende Kennfelder ergeben. Mit Formhonversuchen, welche gemäß den durchgeführten Berechnungen parametriert werden, kann die örtliche Kontaktzeit mit der korrespondierenden örtlichen Zerspanmasse am formgehonten Werkstück korreliert werden.
Ein weiterer bekannter Ansatz zur Erzielung möglichst exakter Bohrungsformen besteht darin, während der Produktion die Maßhaltigkeit des Bearbeitungsergebnisses durch Inprozessmessen und/oder durch eine Nachmessstation zu kontrollieren und die eingestellten Honparameter zu verändern, wenn die Messungen die Gefahr von Toleranzabweichungen anzeigen.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur messungsunterstützten Feinbearbeitung von Werkstückoberflächen, die aus der DE 10 2010 011 470 A1 bekannt sind.
Aus der DE 693 21 005 T2 ist ein anderes Bearbeitungs-System und ein anderes BearbeitungsVerfahren zur Bearbeitung von Werkstücken bekannt.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Honverfahren und eine gattungsgemäße Honmaschine bereitzustellen, die es ermöglichen, mithilfe einer Honbearbeitung hochpräzisen Bauteilen innerhalb enger vorgegebener Toleranzen ihre endgültige gewünschte Form und eine ganz spezifische angestrebte Oberflächenbeschaffenheit zu verleihen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Honverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch eine Honmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Das Honverfahren ist zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mithilfe mindestens einer Honoperation geeignet. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, es können aber auch andere Bohrungen bearbeitet werden, z.B. Pleuellagerbohrungen o.dgl. Zur Durchführung einer Honoperation wird ein an eine Spindel einer Honmaschine angekoppeltes, aufweitbares Honwerkzeug in die Bohrung eingeführt. Mittels eines Hubantriebs wird eine in Axialrichtung der Bohrung hin- und her gehende Relativbewegung (Hubbewegung) zwischen dem Honwerkzeug und dem Werkstück bzw. der Bohrung erzeugt. Bei den meisten Varianten wird dazu das Honwerkzeug innerhalb der zu bearbeitenden Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung hin- und her bewegt, während das Werkstück fest eingespannt ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine oszillierende axiale Hubbewegung des Werkstücks erzeugt werden. Das Honwerkzeug wird gleichzeitig mittels eines Drehantriebs zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung gedreht. Dabei wird mindestens ein an dem Honwerkzeug angebrachter Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt. Der Hubantrieb und der Drehantrieb werden durch Steuersignale der Steuereinheit nach Maßgabe eines aufgrund von Honparametern generierten Honprogramms gesteuert. Die Honparameter geben somit den Bewegungsablauf dieser Arbeitsbewegungen vor.
Eine zur Durchführung des Honverfahrens geeignete Honmaschine bringt die konstruktiven und steuerungstechnischen Voraussetzungen dazu mit. In die Steuereinheit der Honmaschine ist dazu ein Simulationsmodul integriert, welches dazu konfiguriert ist, eine steuerungsintegrierte Abtragssimulation auszuführen, die für das in der Steuereinheit generierte Honprogramm eine sich daraus ergebende örtliche Verteilung des Abtrags auf der Innenfläche der Bohrung simuliert bzw. im Wege der Simulation bestimmt.
Die Begriffe „Simulation“ oder „Simulierung“ bezeichnen hierbei eine Vorgehensweise zur Analyse eines zu simulierenden Systems, das im Rahmen der beanspruchten Erfindung u.a. die Bohrung und das darin bewegte Honwerkzeug mit Schneidstoffkörper(n) aufweist. Bei der Simulation werden Experimente an einem Modell durchgeführt, um Erkenntnisse über das reale System zu gewinnen. Bei einer Simulation spricht man von dem zu simulierenden System und von einem Simulator als Implementierung oder Realisierung eines Simulationsmodells. Letzteres stellt eine Abstraktion des zu simulierenden Systems dar (Struktur, Funktion, Verhalten). Der Ablauf des Simulators mit konkreten Werten (Parametrierung) wird als Simulationsexperiment bezeichnet. Dessen Ergebnisse können dann interpretiert und auf das zu simulierende System übertragen werden.
Der Begriff „Honmaschine“ bezeichnet dabei eine computernumerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, die bei Verwendung von geeigneten Honwerkzeugen zum Honen verwendet werden kann und entsprechend konfigurierbar ist. Insbesondere kann sich dabei um eine dedizierte Honmaschine handelt, die speziell für die Durchführung von Honprozessen ausgelegt ist. Gegebenenfalls kann auch eine andere Werkzeugmaschine, z.B. ein Bearbeitungszentrum, als Honmaschine genutzt werden.
Honverfahren gemäß der beanspruchten Erfindung zeichnen sich durch eine steuerungsintegrierte Abtragssimulation aus, die für das in der Steuereinheit generierte Honprogramm eine sich daraus ergebende örtliche Verteilung des Abtrags auf der Innenfläche der Bohrung simuliert. Dazu ist in die Steuereinheit der Honmaschine ein Simulationsmodul integriert, welches dazu konfiguriert ist, diese steuerungsintegrierte Abtragssimulation auszuführen.
Die steuerungsintegrierte Abtragssimulation bestimmt im Wege der Simulation für ein konkretes Honprogramm die sich daraus ergebende örtliche Verteilung des Abtrags auf der Innenfläche bzw. Mantelfläche der Bohrung. Das Honprogramm definiert dabei einen bestimmten Bewegungsablauf aufgrund der Vorgabe von Honparametern, die z.B. die Geschwindigkeiten für Hub und Drehung und ggf. die Positionen von Umsteuerpunkten des Hubs usw. repräsentieren.
Charakteristisch für eine „steuerungsintegrierte“ Abtragssimulation ist insbesondere die Nutzung von der Steuerung zugänglichen Positionswerten von Maschinenachsen der Honmaschine für die Durchführung der Abtragssimulation. Insbesondere können die Positionswerte von Hub und Spindeldrehung, vorzugsweise auch Positionswerte der Aufweitung, bei der Simulation verarbeitet werden. Diese Positionswerte können bei vielen Verfahrensvarianten unmittelbar vom Original-Steuerungscode der Steuereinheit der Honmaschine bereitgestellt werden. In diesem Falle handelt es sich um Sollwerte der entsprechenden Positionen. Diese Sollwerte können während einer Honoperation, aber auch zeitlich unabhängig von einem tatsächlich an der Honmaschine ablaufenden Honprozess generiert und verarbeitet werden, z.B. im Rahmen einer später noch erläuterten Vorab-Simulation. Bei später noch näher erläuterten Ausführungsbeispielen mit produktionsbegleitender Simulation (d.h. Simulation während einer laufendem Honproperation) können die Positionswerte auch von Sensoren an Maschinenachsen der Honmaschine stammen, z.B. von einem Wegmesssystem oder einem Winkelmesssystem. In diesem Falle repräsentieren die Positionswerte entsprechende Istwerte der Positionen. Diese Istwerte basieren mittelbar ebenfalls auf dem Originalsteuerungscode, wobei jedoch die Regelstrecke der laufenden Honmaschine eine Übertragungsfunktion repräsentiert, die auf die Sollwerte wirkt, so dass die Istwerte von den Sollwerten abweichen können.
Derartige Varianten des Honverfahrens können so beschrieben werden, dass bei der steuerungsintegrierten Abtragssimulation für die Steuereinheit der Honmaschine zugängliche Positionswerte von Maschinenachsen der Honmaschine in einem Simulationsmodus verarbeitet werden, wobei die Positionswerte vor und/oder während einer laufenden Honoperation unmittelbar vom Original-Steuerungscode der Steuereinheit in Form von Sollwerten der entsprechenden Positionen bereitgestellt werden können oder wobei die Positionswerte während einer laufenden Honoperation von Sensoren an Maschinenachsen der Honmaschine empfangen werden, so dass die Positionswerte Istwerte der Positionen repräsentieren. Insbesondere können Positionswerte des Drehantriebs und des Hubantriebs verarbeitet werden, vorzugsweise werden zusätzlich auch Positionswerte der Aufweitung verarbeitet.
Wenn ein Zugriff auf den Original-Steuerungscode nicht möglich oder gewünscht ist, können Positionswerte auch von einer entsprechenden softwaretechnischen Nachbildung des Original-Steuerungscodes bereitgestellt werden. Diese ist steuerungsintegriert, wenn die Nachbildung in die Steuerung der Honmaschine integriert ist, also in ein Modul der Honsteuerung integriert ist und nicht auf einen externen Rechner läuft.
Eine steuerungsintegrierte Abtragssimulation kann somit zeitlich vor und/oder während der Durchführung einer produktiven Honoperation (also während des Material abtragenden Honprozesses) durchgeführt werden.
Die Erfinder haben unter anderem folgendes erkannt. Durch die sich sehr häufig wiederholenden Hubbewegungen und Drehbewegungen während einer Honoperation können sich aufsummierende Fehler in einer Simulation sehr negativ auf das Simulationsergebnis auswirken. Negativ bedeutet hier, dass das Simulationsergebnis stark vom simulierten tatsächlichen Prozess abweichen kann.
Bei einer nicht steuerungsintegrierten (externen) Simulation kann die fehlende Einbindung von möglichst genauen Positionswerten dazu führen, dass die Bewegungserzeugung der Steuerung nur näherungsweise und damit ggf. zu ungenau nachgebildet werden kann. Es hat sich in zahlreichen Versuchen gezeigt, dass bereits sehr kleine Veränderungen im Bewegungsablauf zu sehr großen Veränderungen in der Gleichmäßigkeit der Verteilung des Abtrags über die Bohrung führen können. Beispielsweise ergab ein Honprozess für eine Hubgeschwindigkeit von 32 m/min eine relativ gleichmäßige Überdeckung, während eine Veränderung der Hubgeschwindigkeit auf 33 m/min bei ansonsten gleichem Parametersatz zu einer signifikant ungleichmäßigen Überdeckung führte.
Daher wird bei der beanspruchten Erfindung keine externe Simulation außerhalb der Honmaschine bzw. deren Steuereinheit durchgeführt. Stattdessen wird bei der steuerungsintegrierten Abtragssimulation die Originalsteuerung als Basis für die Simulation herangezogen. In der Honsteuerung wird dazu vorzugsweise mindestens eine Honeinheits-Steuerung im Simulationsmodus betrieben. Die Honeinheits-Steuerung ist ein modularer Teil der Honsteuerung und dient der Bewegungserzeugung für die realen Maschinenachsen einer realen Honeinheit. Eine reale Honeinheit weist typischerweise Maschinenachsen für Hub, Drehung und eine oder zwei Aufweitungen auf.
Im Simulationsmodus kann die Bewegungserzeugung wie im realen Betrieb erfolgen, allerdings mit dem Unterschied, dass z.B. eine durch die Steuereinheit generierte Positionsinformation (z.B. Sollwerte für die Positionen der Maschinenachsen für Drehung und Hub) nicht (oder nicht ausschließlich) an die realen Maschinenachsen bzw. deren Antriebe ausgegeben werden, sondern an die Simulation bzw. an das Simulationsmodul weitergeleitet werden und dort als Eingangsgrößen für die Simulation dienen.
Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere virtuelle Honeinheits-Steuerungen bereitgestellt werden, mit denen parallel zur aktuellen (produktiven) Honbearbeitung bereits die Honparameter einer nachfolgenden Honoperation (z.B. durchzuführen an einem nächsten Werkstücktyp und/oder mit einem anderen Honwerkzeug und/oder mit anderen Honparametern der Werkzeugbewegung) optimiert werden können.
Es ist möglich, die Simulation zeitlich parallel zur Honbearbeitung durchzuführen. In diesem Fall können alternativ zu den von der Steuereinheit an die Achsantriebe ausgegebenen Sollwerten auch die Istwerte der am Honprozess beteiligten Maschinenachsen (also die tatsächlich aktuell vorliegenden Werte) als Simulationsgrundlage verwendet werden. Diese Istwerte basieren mittelbar ebenfalls auf dem Originalsteuerungscode, wobei jedoch die Regelstrecke der laufenden Honmaschine eine Übertragungsfunktion repräsentiert, die auf die Sollwerte wirkt. Zur Bestimmung der Istwerte können Gebersignale von Gebern (z.B. Winkelgeber, Weggeber) der Achsantriebe verarbeitet und als Eingangsgrößen für die Simulation genutzt werden.
Ausgehend von den auf diese verschiedenartigen Weisen bereitgestellten Positionswerten von Hub, Spindeldrehung und ggf. Aufweitung wird im Echtzeitteil der Steuerung die Verteilung des Abtrags durch ein Geometriemodell der Bohrung und der Schneidstoffkörper und ein Abtragsmodell für eine konkrete Bearbeitung simulativ (mittels Rechnersimulation) bestimmt.
Bei Nutzung der Erfindung ist eine Bestimmung optimaler Honparameter ohne Produktion von Ausschussteilen möglich. Für die Bestimmung optimaler Honparameter ist keine Versuchsmaschine erforderlich, lediglich eine Steuerung mit geeignetem Simulationsmodul wird benötigt. Bei der Bestimmung der optimalen Honparameter werden keine Werkzeuge benötigt.
Erfindungsgemäß wird bei der steuerungsintegrierten Abtragssimulation als Grundlage für die Ermittlung der örtlichen Verteilung des Abtrags eine örtliche Verteilung einer Überdeckung der Innenfläche durch Schneidstoffkörper ermittelt. Die „Überdeckung“ gibt dabei für jedes Flächenelement der Innenfläche an, wie häufig das Flächenelement während einer Honoperation durch ein Flächenelement eines Schneidstoffkörpers überfahren wird. Diese Variante wird in dieser Anmeldung auch als „Überdeckungsanalyse“ bezeichnet.
Bei der Überdeckungsanalyse wird die Anzahl oder Häufigkeit der Überstreichungen eines Flächenelements der Innenfläche durch Schneidstoffkörper in erster Annäherung als Maß für den materialabtragenden (abrasiven) Eingriff von Schneidmittel an dem Flächenelement genutzt. Diese Analyse stellt auf die örtliche Verteilung des Abtrags an der Bohrungsinnenfläche ab, nicht auf Absolutmaße für den Abtrag. Ungewollte Ungleichmäßigkeiten über die Fläche können bei Bedarf durch Parameteränderungen minimiert werden.
Dabei wird die Erkenntnis genutzt, dass der Abtrag (Materialabtrag) bei den meisten oder allen Honoperationen in erster Näherung bzw. hauptsächlich vom geometrischen Maß der Überdeckung abhängig ist. Die Überdeckung ist hier ein rein geometrisches, nicht zeitabhängiges Maß. Die Überdeckung ist u.a. unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der Flächenelemente überfahren werden, also von der Schnittgeschwindigkeit und somit auch unabhängig von der Zeit, in welcher die Schneidstoffkörper in Kontakt mit einem Flächenelement der Bohrungsinnenfläche stehen. Da das hinter der Überdeckungsanalyse stehende Modell nur von der gefahrenen Hontrajektorie, nicht aber von der Zeit abhängig ist, sind schnelle Simulationen in Echtzeit möglich.
Die Annahme, dass der Abtrag direkt proportional zu Überdeckung ist, ist insbesondere dann gut, wenn mit im Wesentlichen konstanter Andrückkraft und vollflächigem Eingriff der Schneidstoffkörper in das Material gefahren wird. Als sekundäre Einflussfaktoren können z.B. der lokal wirksame Anpressdruck und/oder die Schnittgeschwindigkeit, also eine zeitabhängige Größe, in das Abtragsmodell einbezogen werden.
Vorzugsweise ist das Simulationsmodul so konfiguriert, dass wenigstens zwei unterschiedliche Simulationsmodi wählbar sind, nämlich eine Vorab-Simulation (erster Simulationsmodus) und eine produktionsbegleitende Simulation (zweiter Simulationmodus). Es kann auch ausreichen, das Simulationsmodul so auszulegen, dass nur einer der beiden Simulationsmodi genutzt werden kann, z.B. die produktionsbegleitende Simulation.
Bei der Vorab-Simulation erfolgt die Simulation vorbereitend zur eigentlichen Honbearbeitung vor deren Beginn. In diesem Fall kann noch vor der eigentlichen Bearbeitung die Qualität des Bearbeitungsergebnisses beurteilt werden und eine Parametereinstellung für die Erzielung eines optimalen Ergebnisses manuell oder automatisch gefunden werden. Die nachfolgende reale Honoperation kann dann auf Basis der mittels der Vorab-Simulation optimierten Honparameter durchgeführt werden.
Bei manchen Verfahrensvarianten kann ein Bediener mithilfe der Vorab-Simulation manuell (d.h. durch Verändern von Honparametern über die Bedieneinheit der Steuereinheit, eine Prozessoptimierung vornehmen.
Bei manchen Ausführungsformen kann im Fall der Vorab-Simulation eine automatische Ergebnisoptimierung durch systematische Parametervariation durchgeführt werden. Dazu ist in die Steuereinheit ein Parameter-Optimierungsmodul implementiert, typischerweise in Form eines geeigneten Software-Moduls.
Bei der produktionsbegleitenden Simulation erfolgt die Simulation zeitlich parallel zur produktiven Bearbeitung, also zeitlich überlappend mit einer Honoperation, und kann während der laufenden Honoperation detaillierte Informationen über das zu erwartende Bearbeitungsergebnis liefern, die mit konventionellen Mitteln nicht bereitgestellt werden können. Diese Variante wird in dieser Anmeldung auch als „digitaler Zwilling“ bezeichnet.
Im Fall der produktionsbegleitenden Simulation ist es bei manchen Ausführungsformen möglich, die örtliche Verteilung des Abtrages, z.B. die Gleichmäßigkeit des Abtrags, durch gezielte Parametervariation automatisiert zu optimieren. Dazu ist in die Steuereinheit ein Parameter-Optimierungsmodul implementiert, typischerweise in Form eines geeigneten Software-Moduls.
Die produktionsbegleitende Simulation bringt in vielen Fällen, insbesondere bei komplexeren, nicht-zylindrischen Bohrungen, wichtige Vorteile gegenüber messungsunterstützten Honverfahren, also Honverfahren mit Inprozessmessen und/oder Nachmessen. Das Inprozessmessen, z.B. mittels eines pneumatischen Durchmessermesssystems, ist in manchen Fällen nicht dynamisch genug, um typische zyklische Ungleichmäßigkeiten des Abtrags entlang des Umfangs und/oder in axialer Richtung genau genug zu erfassen. Unrundheiten höherer Ordnung entlang des Umfangs können beispielsweise ggf. nur sehr abgeschwächt und phasenverschoben abgebildet werden. Bedingt durch die Aufweitkraft kann sich die Bohrung während des Prozesses verformen. Das Inprozessmessen erfasst diese Verformung nicht, diese kann jedoch im Simulationsmodell berücksichtigt werden. Das Nachmessen findet typischerweise an wenigen dedizierten Messpunkten und/oder in wenigen Messebenen statt. Damit besteht bei ungünstiger Lage der Messorte die Gefahr, dass Unrundheiten nicht oder nicht im tatsächlichen Ausmaß erkannt werden. Eine vollständige Vermessung einer Bohrung ist aus Kosten- und Taktzeitgründen in der Regel praktisch nicht möglich. Diese Nachteile können bei Nutzung der produktionsbegleitenden Simulation ausgeglichen werden.
Bei manchen Ausführungsformen ist dazu vorgesehen, dass aus der örtlichen Verteilung des Abtrags eine Bohrungsform-Information ermittelt wird, welche eine aktuelle Bohrungsform repräsentiert. Die aktuelle Bohrungsform (Makroform, Grobgestalt) wird dabei allerdings nicht gemessen, sondern aus dem rechnerischen Ergebnis der Abtragssimulation sowie Angaben oder Annahmen zur Bohrungsform vor Beginn des Materialabtrags abgeleitet bzw. gewonnen. Eine produktionsbegleitende Simulation kann dabei verwendet werden, um mindestens ein die Bohrungsform qualifizierendes Qualitätskriterium abzuleiten. Als Qualitätskriterium kommen z.B. in Betracht: der Durchmesser der Bohrung in mindestens einer bestimmten axialen Ebene und in mindestens einer vorgebbaren diametralen Richtung, die Rundheit der Bohrung und/oder Angaben zur Rundheitsabweichung, die Zylindrizität der Bohrung oder Angaben zum Zylindrizitätsfehler, eine Angabe zur Makroform der Bohrung (z.B. axiale Kontur, Konizität, Tonnenform und/oder Vorweite etc.).
Eine Besonderheit der durch Simulation gewonnenen Bohrungsform-Information liegt darin, dass Informationen über die gesamte Bohrung und nicht, wie beim herkömmlichen Nachmessen üblich, nur einzelne wenige Messpunkte vorliegen. Somit können die oben aufgezählten Qualitätskriterien theoretisch in beliebiger Anzahl innerhalb einer Bohrung erhoben werden. Beispielsweise erfolgt die Bestimmung des Durchmessers heute typischerweise in drei Ebenen und in zwei sich meist um 90 Grad überkreuzende Richtungen (Durchmesser). Mit den durch Simulation gewonnenen Bohrungsform-Informationen lassen sich ohne zusätzlichen Zeit und Messgeräteaufwand beispielsweise der Durchmesser in zehn Ebenen (oder mehr) und in vier Richtungen (oder mehr) kontrollieren.
Darüber hinaus ermöglicht diese neuartige Konzept Anwendungen, bei denen komplett auf Messsysteme verzichtet werden kann und an deren Stelle die aus der Simulation hervorgegangenen Bohrungsform-Informationen treten.
Die Ergebnisse der Bohrungsform-Ermittlung sind in der Regel dann besonders präzise, wenn produktionsbegleitend zusätzlich Informationen über die aktuellen Kräfte der Aufweitung berücksichtigt werden.
Die Ergebnisse der Bohrungsform-Ermittlung sind in der Regel besonders präzise, wenn die zugrundeliegende Simulation des Abtrags steuerungsintegriert, also unter Verwendung des Original-Steuerungscodes der Steuereinheit der Honmaschine, erfolgt. Es ist jedoch auch möglich, zur Gewinnung der Bohrungsform-Information eine produktionsbegleitende Simulation ohne den Original-Steuerungscode zu verwenden. Diese Vorgehensweise kommt beispielsweise dann in Betracht, wenn kein ausreichender Zugriff auf den Original-Steuerungscode möglich ist. Die Simulation des Abtrags (entweder mit oder ohne Verwendung des Original-Steuerungscodes) wird insoweit als neue, nicht auf einer Messung basierende Art der Gewinnung von Daten bzw. Information über die Form (Makroform) einer durch Honen bearbeiteten Bohrung angesehen, die auch unabhängig von der Verwendung des Original-Steuerungscodes Vorteile gegenüber dem Stand der Technik des Inprozessmessens und/oder des Nachmessens bietet.
Gemäß einer Weiterbildung wird das Ergebnis einer steuerungsintegrierten Abtragssimulation visualisiert, also für einen Bediener sichtbar präsentiert. In der Visualisierung werden die Auswirkungen des Eingriffs des Honwerkzeuges in das Werkstück dargestellt. Visualisiert wird vorzugsweise das Resultat des Eingriffsverlauf, das als Überdeckung bezeichnet wird. Das Ergebnis kann z.B. in Form einer 2D-Darstellung oder 3D-Darstellung visualisiert werden. Bei manchen Ausführungsformen wird das Ergebnis eingebettet in einer Maske der Honsteuerung visualisiert. Das Bearbeitungsergebnis kann dadurch hinsichtlich der Gleichmäßigkeit des Abtrags unmittelbar und intuitiv qualitativ beurteilt werden. Im Falle der produktionsbegleitenden Simulation ist es dadurch dem Bediener ggf. möglich, die Gleichmäßigkeit des Abtrags durch gezielte Parametervariation während der Bearbeitung zu optimieren.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, das Ergebnis der steuerungsintegrierten Abtragssimulation in Form eines einzelnen signifikanten Werts zu berechnen, z.B. in Form eines Überdeckungsfehlers. Dieser Wert kann als skalares Maß für die Güte der Gleichmäßigkeit verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Bohrungsform-Information in geeigneter Form zu visualisieren, z.B. als 2D- oder 3D-Darstellung der ermittelten Bohrungsform. Beispielsweise kann ein Gitternetzlinien-Diagramm der Bohrungsform angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich können ermittelte Werte für Formparameter angezeigt werden, z.B. für Rundheit, Zylindrizität, Konizität, Tonnenform, Vorweite, Welligkeit in Umfangsrichtung etc..
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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.

1 zeigt zwei 2D-Visualisierungen von Überdeckungsanalysen vor und nach einer Parametervariation der Hubgeschwindigkeit um ca. 3%;
2 zeigt in den 2A und 2B jeweils eine 2x2-Matrix, die die Abwicklung einer Bohrungsinnenfläche repräsentiert, mit berechneten Werten für die Überdeckungen in den Feldern der Matrix, die kleine Flächenelemente der Bohrungsinnenfläche repräsentieren;
3 zeigt schematisch eine Honmaschine gemäß einer Ausführungsform, die mittels eines Simulationsmoduls in der Steuereinheit so konfiguriert ist, dass wahlweise - bei aktiviertem Simulationsmodus - Ausführungsformen erfindungsgemäßer Honverfahren durchgeführt werden können;
4 zeigt schematisch Komponenten einer Steuereinheit, die für die Steuerung von zwei Honeinheiten eingerichtet ist, wobei eine davon wahlweise im normalen Betriebsmodus (4A) oder im Simulationsmodus (4B) betrieben werden kann;
5 zeigt eine Steuereinheit (Honsteuerung), in welcher Berechnungsmodule (Honeinheits-Steuerungen) für drei Honeinheiten realisiert sind, wobei eine der Honeinheits-Steuerungen auf Basis des Honprogramms errechnete Positionswerte den zugeordneten realen Achsen einer Honeinheit zur Verfügung stellt und damit einen konkreten Honprozess steuert und zwei andere Honeinheits-Steuerungen als virtuelle Honeinheits-Steuerungen konfiguriert sind, die errechnete Sollwerte als Eingangswerte an die angeschlossene Simulation abgeben;
6 zeigt in 6A und 6B schematisch zwei Konfigurationsbeispiele für eine produktionsbegleitende Simulation mit „digitalem Zwilling“;
7 zeigt ein Beispiel für eine zweidimensionale grafische Visualisierung des Ergebnisses einer Überdeckungsanalyse in einem Fenster einer Maske an der Anzeigeeinheit einer Honmaschine;
8 illustriert eine Verfahrensvariante einer produktionsbegleitenden Simulation, bei der die Gleichmäßigkeit des Abtrags durch gezielte Parametervariationen automatisch optimiert wird;
9 illustriert eine Verfahrensvariante einer Vorab-Simulation, bei der die Gleichmäßigkeit des Abtrags durch gezielte Parametervariationen automatisch optimiert wird;
10 zeigt in analoger Darstellung zu 2 eine Variante der Visualisierung, bei der die Überdeckung und der lokal in einem Flächenelement der Bohrungsinnenfläche wirkende Anpressdruck der Schneidstoffkörper bei der Berechnung der Zahlenwerte für die einzelnen Flächenelemente berücksichtigt wird;
11 illustriert in 11A und 11 B schematisch potentielle Messfehlerquellen beim Inprozessmessen;
12 illustriert in 12A bis 12D schematisch potentielle Messfehlerquellen beim Nachmessen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend werden Aspekte der beanspruchten Erfindung am Beispiel der Honbearbeitung von Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren erläutert. Bei Verbrennungsmotoren führt eine geringere Reibung zwischen Zylinderlauffläche und den Kolbenringen zu weniger Kraftstoffverbrauch und geringerem CO₂-Ausstoß, so dass eine Optimierung tribologischer Eigenschaften der Zylinderlaufflächen einen Beitrag zur Erfüllung von umweltbezogenen Vorschriften leisten kann. An den Bearbeitungsprozess des Honens besteht bei gewissen Honoperationen unter anderem die Anforderung, eine genau definierte örtliche Verteilung des Abtrags (Materialabtrags) durch Honen zu gewährleisten. Beispielsweise kann ein örtlich möglichst gleichmäßiger Abtrag gewünscht sein, insbesondere bei Honoperationen, die die am fertigen Werkstück gewünschte Oberflächenstruktur der Bohrungsinnenfläche erzeugen. Dabei sind Randbedingungen zu beachten, die kundenseitig und geometrisch bedingt sowie prozessbedingt vorgegeben sind. Beispielsweise wird in der Regel vom Kunden die Einhaltung eines bestimmten Honwinkels gefordert, welcher im Zusammenhang mit dem Verhältnis der gefahrenen Geschwindigkeiten für Hub und Drehung steht.
Es wurde erkannt, dass die örtliche Verteilung der Überdeckung bereits bei geringen Änderungen von Honparametern wie zum Beispiel dem Honwinkel, stark variieren kann. Damit kann ausgehend von der Überdeckung auch die Verteilung des Abtrags bereits bei verhältnismäßig kleinen Änderungen von Parametern stark variieren. Da der Abtrag in erster Näherung durch das geometrisch bestimmbare Maß der Überdeckung zuverlässig beschrieben werden kann, basiert das hier vorgestellte Verfahren in einer Grundstufe auf einer Analyse der Überdeckung des Honprozesses, also auf einer „Überdeckungsanalyse“. Die „Überdeckung“ gibt dabei für jedes Flächenelement der Innenfläche an, wie häufig das Flächenelement durch ein Flächenelement eines Schneidstoffkörpers überfahren wird.
Während einer Honoperation bzw. eines Honprozesses wird die zu bearbeitende Bohrungsinnenfläche mehrfach durch Schneidstoffkörper des Honwerkzeugs überstrichen. Das Überstreichen wird so lange fortgeführt, bis die gewünschten Form- und Oberflächeneigenschaften erreicht sind. Das Erreichen der gewünschten Oberflächeneigenschaften geht entsprechend mit einer optimierten örtlichen Verteilung des Abtrags einher.
Um das Prinzip der bei Ausführungsformen der Erfindung genutzten Überdeckungsanalyse bezüglich der Gleichmäßigkeit oder Ungleichmäßigkeit der Überdeckung darzustellen, zeigt 1 in den 1A und 1B zwei Visualisierungen von Überdeckungsanalysen vor und nach einer Parametervariation eines einzigen konkreten Honparameters, nämlich der Hubgeschwindigkeit. Bei der Überdeckungsanalyse wird das Resultat durch den Eingriff des Honwerkzeugs bzw. seiner Schneidstoffkörper in das Werkstück abgebildet. Die Visualisierungen zeigen jeweils Abwinklungen der Bohrungsinnenfläche, wobei auf der x-Achse die Winkelposition (zwischen 0° und 360°) und auf der y-Achse die axiale Position der betrachteten Flächenelemente (korrelierend mit der als Skala angegebenen Hubposition des Honwerkzeugs) angegeben ist.
In der gewählten Darstellung haben die dunkleren Bereiche eine geringere Überdeckung als die hellen Bereiche, so dass in erster Näherung in den hellsten Bereichen der größte Materialabtrag und in schwarzen Bereichen überhaupt kein Materialabtrag zu erwarten ist.
Bei der Honoperation in 1A wurde mit einer Hubgeschwindigkeit von 33 m/s gearbeitet, bei der Honbearbeitung von 1B mit einer Hubgeschwindigkeit von 32 m/s bei ansonsten unveränderten Parametersätzen. Bei der etwas höheren Hubgeschwindigkeit (1A) wiederholen sich stark bearbeitete und wenig oder gar nicht bearbeitete Bereiche in einem Muster periodisch. Die Überdeckung und der dadurch bestimmte Abtrag sind in diesem Fall stark ungleichmäßig. Im Gegensatz dazu wird die Bohrungsinnenwand bei der nur um ca. 3 % Prozent geringeren Hubgeschwindigkeit (1B) deutlich gleichmäßiger überstrichen. Die gleichmäßigere Überdeckung ist daran zu erkennen, dass das periodische Muster wesentlich schwächer ausgeprägt ist. Dies belegt beispielhaft, dass bereits eine geringe Variation eines Parameters eine vollkommen andere Überdeckungssituation verursachen kann. Es wurde erkannt, dass dieser Effekt kleiner Variationen, die zu großen Änderungen der örtlichen Verteilung der Überdeckung bzw. des daraus resultierenden Abtrags führen können, ein Charakteristikum zahlreicher Honprozesse ist. Besonders anfällig für ungünstige Überdeckungen sind hierbei z.B. das Formhonen (als Beispiel für einen Honprozess mit kurzen Honleisten), das Spiralgleithonen (als Beispiel für Honoperationen mit relativ großen Honwinkeln und ggf. relativ kurzen Honleisten), und das Makroform-Honen (als Beispiel für Honoperationen zur Formkorrektur mit variabler Hublänge und ggf. Selbstadaptierung von Honparametern während einer Honoperation und/oder von Bohrung zu Bohrung).
Anhand von 2 wird nun beispielhaft erläutert, auf welche Weise die Überdeckung im Rahmen der Simulation bei manchen Ausführungsformen berechnet und visualisiert wird. 2 zeigt in den 2A und 2B jeweils eine 2x2-Matrix, die die Abwicklung einer Bohrungsinnenfläche repräsentiert, wobei die x-Achse die Umfangsrichtung und die y-Achse die Axialrichtung bzw. die Bohrungshöhe repräsentiert. Das hervorgehobene Rechteck HL stellt die Kontur der abrasiven Fläche eines Schneidstoffkörpers in Form einer Honleiste dar. Die Honleiste wird im schematischen Beispiel mit einem Honwinkel von 90° über die Bohrungsinnenfläche gefahren wird. Es ergeben sich dadurch vom Schneidstoffkörper überstrichene diagonal verlaufende Honspuren die sich in Kreuzungsbereichen überschneiden. Honwinkel können auch kleiner oder größer als 90° sein, sie liegen z.B. Im Beispiel von 1A (Spiralgleithonen) bei mehr als 120°.
Für die Simulation wird nun die Bohrungsinnenfläche in aneinandergrenzende kleine Flächenelemente FE unterteilt, deren Größe der gewünschten Simulationsgenauigkeit angepasst werden kann. Die Flächenelemente sind als kleine Quadrate erkennbar. Die abrasive Fläche des Schneidstoffkörpers (Honleiste) kann rechnerisch durch im Beispielsfall drei zueinander parallele Linien bzw. linienartige Flächenelemente L1, L2, L3 repräsentiert werden, die in Längsrichtung der Honleiste bzw. in Axialrichtung der Bohrung verlaufen.
Bei der rechnerischen Überdeckungssimulation wird die abrasive Fläche des Schneidstoffkörpers über die Bohrungsinnenfläche geführt. Dabei wird für jedes Flächenelement FE der Bohrungsinnenfläche gezählt, wie häufig das Flächenelement durch ein linienartiges Flächenelement des Schneidstoffkörpers überfahren wird. So ist unmittelbar erkennbar, dass an den seitlichen Rändern einer Honspur beim einmaligen Überfahren die Flächenelemente FE nur jeweils einmal (repräsentiert durch die Zahl „1“) überstrichen werden. Die in der Mitte zwischen den Rändern liegenden Flächenelemente werden dagegen durch alle drei linienhaften Flächenelemente des Schneidstoffkörpers überfahren, weshalb die dortige Überdeckung durch die Zahl 3 repräsentiert wird. In den Kreuzungsbereichen zwischen den sich überkreuzenden Honspuren ergeben sich entsprechend größere Zahlen für die Überdeckungen, wobei zum Beispiel die Flächenelemente im Zentrum eines Überkreuzungspunkts im Beispielsfall sechs Mal überfahren werden. Für die Visualisierung der Überdeckungsanalyse wird die Häufigkeit der Überdeckung in Falschfarben dargestellt, beispielsweise auf einer Grauskala, wie in 2B dargestellt.
Die technischen Voraussetzungen zur Durchführung dieser Überdeckungsanalyse sind in die Steuereinheit einer Honmaschine (bzw. in die Honsteuerung) integriert. Die Steuereinheit weist hierzu ein Simulationsmodul auf, welches dazu konfiguriert ist, eine steuerungsintegrierte Abtragssimulation auszuführen, die für das in der Steuereinheit generierte Honprogramm eine sich daraus ergebende örtliche Verteilung des Abtrags auf der Innenfläche der Bohrung simuliert. Der Abtrag wird dabei durch die Überdeckung repräsentiert. Dabei wird zur Simulation der Original-Steuerungscode der Steuereinheit verwendet.
In 3 ist schematisch eine Honmaschine 100 gezeigt, die im Rahmen verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren zur Bearbeitung von Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken als Bearbeitungsmaschine eingesetzt werden kann, um wahlweise in herkömmlicher Weise eine oder mehrere Honoperationen an dem Werkstück auszuführen und/oder um am gleichen Werkstück und ggf. auch bei nachfolgenden Werkstücken - bei aktiviertem Simulationsmodus - auch Ausführungsformen erfindungsgemäßer Honverfahren durchzuführen.
Auf dem Maschinenbett der Honmaschine ist eine Aufspannplatte befestigt, die ein darauf aufgespanntes Werkstück 106 trägt, bei dem es sich im Beispielsfall um einen Motorblock (Zylinderkurbelgehäuse) einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine handelt. In dem Motorblock sind mehrere Bohrungen 108 (Zylinderbohrungen) mit generell vertikaler Ausrichtung ihrer Bohrungsachsen gebildet. Die durch die Innenflächen 107 der Zylinderbohrungen gebildeten Zylinderlaufflächen werden auf der Honmaschine einer qualitätsbestimmenden Endbearbeitung unterzogen, bei der sowohl die Makroform der Zylinderlaufflächen, als auch deren Oberflächentopographie durch geeignete Honoperationen erzeugt wird.
Die Honmaschine 100 weist mehrere im Wesentlichen identisch aufgebaute Honeinheiten auf, die abwechselnd oder gleichzeitig bei der Werkstückbearbeitung eingesetzt werden können. Ihr Aufbau wird anhand der Honeinheit 110 näher erläutert.
Die Honeinheit 110 umfasst einen auf der Trägerkonstruktion befestigten Spindelkasten, der die als Werkzeugspindel der Bearbeitungsmaschine dienende Honspindel 116 führt. Die Honspindel lässt sich mit Hilfe eines am Spindelkasten befestigten Drehantriebs (Spindelantriebs) 118 um ihre Längsachse (Spindelachse) drehen. Der Drehantrieb weist einen Servomotor auf, der u.a. bezüglich seiner Drehzahl und des erzeugten Drehmoments steuerbar ist.
Am unteren Ende der Honspindel ist eine Gelenkstange angebracht, an deren unteres, freies Ende das als Bearbeitungswerkzeug dienende Honwerkzeug 200 begrenzt beweglich mechanisch angekoppelt ist, z.B. über eine Bajonettverbindung. Bei anderen Ausführungsformen sind andere Lösungen möglich. Beispielsweise kann anstelle der Gelenkstange eine andersartige Antriebsstange, z.B. eine Biegestange, gewählt werden. Alternativ zu einer begrenzt beweglichen mechanischen Ankopplung ist auch eine starre Ankopplung des Honwerkzeugs möglich.
Ein Hubantrieb 124 bewirkt die Vertikalbewegung der Honspindel beim Einführen des Werkzeuges in das Werkstück bzw. beim Herausziehen aus dem Werkstück und wird während der Honbearbeitung so angesteuert, dass das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung des Werkstückes eine zur Spindelachse parallele, vertikale Hin- und Her-Bewegung ausführt. Hublänge und Hublage sind durch Parametereingabe einstellbar.
Die Honmaschine ist mit einem Zustellsystem bzw. Aufweitsystem zur Zustellung der am Werkzeugkörper des Honwerkzeugs angeordneten Schneidstoffkörper ausgestattet. Als Aufweitantrieb 122 ist einen Servomotor vorgesehen, der kraftgesteuert und/oder weggesteuert betrieben werden kann. Es gibt auch Varianten mit zwei voneinander unabhängig steuerbaren Aufweitungen (Doppelaufweitung).
Der Drehantrieb (Spindelantrieb) 118, der Hubantrieb 124 und der mindestens eine Aufweitantrieb 122 des Zustellsystems sind an eine Steuereinrichtung 180 angeschlossen, die ein funktionaler Bestandteil der Maschinensteuerung ist und über eine Bedienoberfläche 195 einer Bedieneinrichtung 190 bedient werden kann. Die Steuereinrichtung verkörpert die „Honsteuerung“ und kann daher auch als „Honsteuerung“ bezeichnet werden. Die Bedieneinrichtung bildet die Bedienschnittstelle bzw. die Mensch-Maschine Schnittstelle (Human-Machine Interface, HMI) der Honmaschine, welche dem Benutzer die Kommunikation mit der Honmaschine ermöglicht.
Über die Bedieneinrichtung können unter anderem die folgenden Prozessparameter eingestellt werden: Lage des oberen Umsteuerpunkts und des unteren Umsteuerpunkts von Hubbewegungen. Dadurch sind die Hublänge und die Hublage definierbar. Drehzahl sowie Drehzahl-Charakteristik in den Umsteuerpunkten (unterschiedliche Charakteristika durch Honen mit oder ohne Drehzahlabsenkung im Bereich eines Umsteuerpunkts), Zustellgeschwindigkeit, Hubgeschwindigkeit, Beginn einer Honphase.
Die Steuereinrichtung 180 enthält u.a. die Einrichtungen 182 für die Signalverarbeitung beim Zusammenspiel mit Aktoren und Sensoren der Honmaschine. Diese kommunizieren über Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen mit der Steuereinrichtung. Damit wird unter anderem der Honprozess (die Task „Honen“) gesteuert.
Außerdem ist in einem Simulationsmodul 150 der Steuereinheit die Task der „steuerungsintegrierten Abtragssimulation“ angesiedelt und kommuniziert mit der Task „Honen“. In die steuerungsintegrierte Analyse fließt die Rückmeldung der realen Honmaschine in Form von Signalen und/oder Daten ein, wodurch Einfluss auf die Steuerung genommen wird.
Die Kommunikation zwischen der Steuerung (Steuereinrichtung) und den elektromechanischen Komponenten der Honmaschine kann z.B. durch Bus-Konzepte realisiert werden, wobei z.B. Profinet oder EtherCat zum Einsatz kommen können. Die Schnittstelle zur Bedienerschnittstelle (HMI) erfolgt bei der Beispielkonfiguration über OPC Server.
Nachfolgend werden nun verschiedene Varianten von Honverfahren beschrieben, die mithilfe der Honmaschine und deren integrierter steuerungsabhängiger Abtragssimulation durchgeführt werden können. Bei jedem dieser Verfahren wird die örtliche Verteilung des Abtrags (Materialabtrags) an der Innenfläche einer bearbeiteten Bohrung für die programmierte Honoperation innerhalb der Steuereinheit der Honmaschine simulativ ermittelt. Dabei kann grundsätzlich zwischen zwei unterschiedlichen Anwendungsfällen bzw. Betriebsmodi gewählt werden, nämlich einer Vorab-Simulation und einer produktionsbegleitenden Simulation.
Bei der Vorab-Simulation erfolgt die Simulation vorbereitend zur eigentlichen (produktiven) Honbearbeitung. In diesem Fall kann beispielsweise noch vor der eigentlichen Bearbeitung die Qualität des erwarteten Bearbeitungsergebnisses beurteilt werden und gegebenenfalls eine Parameteränderung für die Erzielung eines optimalen Ergebnisses manuell oder automatisch gefunden werden.
Bei der produktionsbegleitenden Simulation erfolgt die steuerungsintegrierte Abtragssimulation zeitlich parallel zur Honbearbeitung und liefert detaillierte Informationen über das zu erwartende Bearbeitungsergebnis, die zum Teil mit konventionellen Mitteln nicht bereitgestellt werden können. Die steuerungsintegrierte Abtragssimulation simuliert dabei für ein konkretes Honprogramm (definierter Bewegungsablauf u.a. durch Vorgabe von Geschwindigkeiten für Hub, Drehung, Umsteuerpunkte des Hubs etc.) die sich daraus ergebende örtliche Verteilung der Überdeckung und damit in guter Näherung auch die örtliche Verteilung des Abtrags auf der Innenfläche der Bohrung. Dabei wird die Original-Steuerung der Honmaschine auch für die Simulation herangezogen.
Anhand von 4 wird eine erste Variante erläutert. Die Honsteuerung HS ist dabei für die Steuerung der Maschinenachsen MA von zwei Honeinheiten der Honmaschine eingerichtet. Jeder der Honeinheiten ist in der Honsteuerung HS eine Honeinheits-Steuerung HES zugeordnet, die diejenigen Komponenten enthält, die die Signale zur Steuerung der zugeordneten Maschinenachsen MA dieser Honeinheit erzeugen. Zu einer (realen) Maschinenachse einer Honeinheit gehören u.a. die Antriebe für Drehung und Hub, also der Drehantrieb und der Hubantrieb.
Die obere der beiden Honeinheiten (erste Honeinheit) kann wahlweise im normalen Betriebsmodus oder im Simulationsmodus betrieben werden. 4A zeigt die Konfiguration im normalen Betriebsmodus. Dabei werden die von der Honsteuerung bzw. der zugehörigen Honeinheits-Steuerung für die realen Maschinenachsen MA berechneten Soll-Werte der jeweiligen Positionen (Hubposition, Drehposition) an die entsprechenden Maschinenachsen übertragen. Die Simulation ist dabei nicht aktiv.
Bei der Konfiguration in 4B wird die erste Honeinheit dagegen im Simulationsmodus betrieben. Dabei erfolgt die Bewegungserzeugung innerhalb der Honsteuerung bzw. der zugehörigen Honeinheits-Steuerung HS genau wie im realen Betrieb, jedoch werden die daraus resultierenden Soll-Werte für die Achsen nicht an die zugehörigen realen Maschinenachsen ausgegeben, sondern als Eingangswerte an die Simulation SIM übertragen. Diese errechnet bzw. simuliert die mit den Soll-Werten korrespondierende örtliche Überdeckungsverteilung.
Es ist auch möglich, innerhalb der Honsteuerung HS eine oder mehrere virtuelle Honeinheits-Steuerungen bereitzustellen, mit denen parallel zur aktuellen Honbearbeitung eine Simulation durchgeführt werden kann. Beispielsweise können mittels der Simulation bereits die Honparameter eines nächsten Werkstücktyps optimiert werden. Ein Beispiel für diese Konfiguration ist in 5 gezeigt. Dabei sind in der Honsteuerung HS Berechnungsmodule für drei Honeinheiten realisiert. Die oben dargestellte erste Honeinheits-Steuerung HES gibt die auf Basis des Honprogramms errechneten Positionswerte an die zugeordneten realen Maschinenachsen MA ab und steuert damit einen konkreten Honprozess an der zugeordneten Honeinheit. Die beiden anderen, darunter dargestellten Honeinheits-Steuerungen sind jeweils als virtuelle Honeinheits-Steuerungen V-HES konfiguriert und geben ihre errechneten Sollwerte als Eingangswerte an die angeschlossene Simulation SIM ab.
Anhand von 6 wird ein Konfigurationsbeispiel für eine produktionsbegleitende Simulation schematisch dargestellt. In der Konfiguration von 6A werden die Soll-Werte SW, die von der jeweils oben dargestellten ersten Honeinheits-Steuerung HES auf Basis der eingestellten Honparameter ermittelt werden, zeitgleich sowohl an die angeschlossenen realen Maschinenachsen MA (für Spindeldrehung und Hub) ausgegeben als auch als Eingangswerte an die Simulation SIM. Die Simulation kann daher zeitlich parallel zur produktiven Bearbeitung erfolgen, was hier als „digitaler Zwilling“ (DZ) bezeichnet wird.
In 6B ist eine Konfiguration für eine Variante mit digitalem Zwilling DZ dargestellt. Dabei werden die auf Basis der eingestellten Honparameter für die erste Honeinheit bzw. deren Maschinenachsen MA errechneten Soll-Werte SW an die zugeordneten realen Maschinenachsen MA übertragen. Die tatsächlich an den Maschinenachsen vorliegenden Ist-Werte IW, die von entsprechenden Sensoren der Maschinenachsen (Weggeber, Winkelgeber, Kraftsensoren, Drehmoment-Sensoren) erfasst werden, werden dann an die Simulation SIM geleitet, welche die Simulation auf Basis der Ist-Werte IW durchführt.
In jedem Fall werden ausgehend von den auf diese verschiedenen Weisen bereitgestellten Positionswerten von Hub und Spindeldrehung im Echtzeitteil der Steuereinheit die örtliche Verteilung des Abtrags (bzw. der Überdeckung) mithilfe eines Geometriemodells der Bohrung und der am Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper sowie ein Abtragsmodell für die konkrete Bearbeitung im Wege der Simulation bestimmt. Das Abtragsmodell basiert auf der Überdeckungssimulation und berücksichtigt weitere für den Abtrag relevante Einflussfaktoren, wie z.B. den aktuellen Anpressdruck, womit eine bessere Annäherung an den tatsächlich erfolgten Abtrag erreicht werden kann.
Bei der beschriebenen Ausführungsform der Honmaschine wird das Ergebnis der Simulation eingebettet in einer Maske der Honsteuerung an einer Anzeige im Anzeigebereich der Bedieneinheit 190 visualisiert. 7 zeigt hierzu beispielhaft einen Ausschnitt der Bildschirmanzeige der zur Steuerungseinrichtung gehörenden Anzeigeeinheit bzw. der Bedieneroberfläche 195. In dem eingebetteten Fenster 197 ist beispielhaft die bereits anhand von 1 erläuterte örtliche Verteilung der Überdeckung mit relativ ungleichmäßiger Überdeckung dargestellt. In der rechts daneben gezeigten vertikalen Skala 198 sind den Grauwerten korrespondierende Abtragswerte zugeordnet. Die Zahlenwerte sind qualitativ zu verstehen, ihre Genauigkeit ist davon abhängig, wie gut das zugrundeliegende Abtragsmodell ausgehend von der Überdeckungsanalyse die weiteren abtragsrelevanten Einflüsse abbildet. Ein Bediener kann nun das zu erwartende Bearbeitungsergebnis unmittelbar und intuitiv qualitativ beurteilen und ggf. entsprechende Maßnahmen zur Verbesserung der Abtragsverteilung einleiten.
Anhand von 8 wird eine Möglichkeit erläutert, im Falle der produktionsbegleitenden Simulation die Gleichmäßigkeit des Abtrags durch gezielte Parametervariationen zu optimieren. Beim Schritt der Parametervorgabe werden zunächst zu Beginn gewisse Honparameter vorgegeben, die z.B. für den Honprozess des Makroform-Honens gewünscht sind. Das Makroform-Honen ist eine besondere Variante der Steuerung, die im Beispielsfall eine automatische Korrektur der Zylinderform während des Honens durch Veränderung von Honparametern durchführt. Die Zylinderform kann z.B. durch Inprozessmesen oder eine Überwachung und Auswertung des Drehmoments des Drehantriebs erfasst werden. Mit dem programmierten Honprozess soll im Beispielsfall mittels Honen eine rotationssymmetrische, insbesondere eine zylindrische Bohrung erzeugt werden.
Durch die genannte automatische Variation der Honparameter kann jedoch die Gleichmäßigkeit der Überdeckung sich deutlich verschlechtern. Um dies zu erkennen, wird für den eingestellten Honprozess anhand der dafür generierten Soll-Werte eine Analyse der Gleichmäßigkeit des Abtrags durchgeführt. Anhand eines voreingestellten Entscheidungsparameters für die Gleichmäßigkeit des Abtrags entscheidet die Steuerung nun, ob eine weitere Optimierung nötig ist oder nicht. Wenn die rechnerisch ermittelte Gleichmäßigkeit ausreichend ist, ist keine weitere Optimierung notwendig. Ist die erzielte Gleichmäßigkeit geringer als die zulässige Gleichmäßigkeit, wird eine automatische Parametervariation durchgeführt und der Makroform-Honprozess wird mit den dadurch geänderten Honparametern fortgeführt, wobei zeitgleich auch eine begleitende Analyse der dann erzielbaren Gleichmäßigkeit des Abtrags mittels Simulation erfolgt.
Die Parametervariation durch die produktionsbegleitende Simulation erfolgt dabei in der Art, dass der Einfluss der Parametervariation durch das Makroform-Honen, das im Beispielsfall auf eine perfekte Zylinderform abzielt, nicht beeinflusst wird. Konkret variiert das Makroform-Honen beispielsweise die Umsteuerpunkte und verlängert oder verkürzt den Hub. Die Parametervariation der produktionsbegleitenden Simulation dagegen variiert beispielsweise die Hubgeschwindigkeit und/oder die Drehzahl so, dass trotz veränderter Umsteuerpunkte weiterhin eine gleichmäßige Überdeckung gewährleistet ist.
Im Rahmen der Überdeckungsanalyse wird bei einer Ausführungsform der sogenannte Überdeckungsfehler als Maß für die Gleichmäßigkeit oder Ungleichmäßigkeit genutzt. Beim Ausführungsbeispiel ergibt sich der Überdeckungsfehler innerhalb eines zu bewertenden Flächenbereichs der Bohrungsinnenfläche aus der Differenz der ermittelten maximalen und minimalen Überdeckung innerhalb des zu bewertenden Flächenbereichs. Dazu wird im Beispiel der 2 der Maximal- und Minimalwert der Überdeckung in einem Ausschnitt aus einer Analysematrix bestimmt. Eine Gewichtung relativiert den Überdeckungsfehler, z.B. bezüglich einer variierenden Anzahl von Hüben und/oder einer variierenden Leistengeometrie.
Das Ergebnis der Auswertung des Überdeckungsfehlers kann dem Bediener alternativ oder zusätzlich optisch angezeigt werden. Dies stellt eine einfache Möglichkeit der Visualisierung dar. Beispielsweise kann eine Anzeigefeld rot aufleuchten, wenn der Überdeckungsfehler einen zulässigen Wert überschreitet, womit das Honergebnis als nicht in Ordnung erkennbar ist, wohingegen das Anzeigefeld grün leuchtet, wenn der Überdeckungsfehler kleiner als der voreingestellte kritische Wert ist, womit das Honergebnis als in Ordnung erkennbar ist.
Wie eingangs erwähnt, können sich bestimmte Parameter des Honens prozessbedingt von Bohrung zu Bohrung ändern. Beispielsweise wird bei vorteilhaften Varianten des Makroform-Honens zur Erzielung axial unterschiedlicher Durchmesser die Hublänge der Hubbewegung sukzessive verändert. Wie eingangs erwähnt, kann dies zu ungünstigen Kombinationen von Hublänge und Rotation führen, die einen stark ungleichmäßigen Abtrag zur Folge hätten. Die Hublängenvariation kann sich also gravierend auf die Gleichmäßigkeit des Abtrags auswirken.
Mit der produktionsbegleitenden Simulation kann dagegen die Geometrie der aus dem Honprozess resultierenden Bohrung flächendeckend und sehr präzise überwacht werden und es können die Parametervariationen so vorgenommen werden, dass stark ungleichmäßige Abträge auch bei der Variation der Hublänge vermieden werden.
Im Falle der Vorab-Simulation kann in ähnlicher Weise eine automatische Ergebnisoptimierung durch systematische Parametervariation durchgeführt werden. Dies ist in 9 schematisch dargestellt.
10 zeigt in Analogie zu 2 eine Variante, bei der zusätzlich zum rein geometrischen Maß der Überdeckung auch der lokal (in einem Flächenelement der Bohrungsinnenfläche) wirkende Anpressdruck der Schneidstoffkörper bei der Berechnung der Zahlenwerte für die einzelnen Flächenelemente und damit bei der Visualisierung berücksichtigt wird. Bezugszeichen HLO bezeichnet eine Position der Honleiste im Bereich des oberen Honüberlaufs, worin nur noch etwas weniger als die Hälfte der abrasiven Fläche des Schneidstoffkörpers in Eingriff mit der Bohrungsinnenfläche steht. Bei unveränderter Andrückkraft bedeutet dies eine Erhöhung des lokal wirkenden Anpressdrucks auf etwas mehr als das Doppelte im Vergleich zu Flächenbereichen mit vollflächigem Kontakt zwischen Schneidstoffkörper und Bohrungsinnenfläche. Der Anpressdruck wird bei dieser Abtragsanalyse als Faktor in die Simulation mit einbezogen. Ein Vergleich mit 2 zeigt, dass bei gleicher Überdeckung der lokale Abtrag entsprechend dem höheren Anpressdruck im Bereich des Honüberlaufs tendenziell erhöht ist.
Mit Hilfe einer produktionsbegleitenden Simulation, also einer gleichzeitig mit einer tatsächlichen Honoperation ablaufenden Simulation dieser Honoperation, kann die Geometrie der durch die Honoperation erzeugten Bohrung flächendeckend und simultan mit der laufenden Honoperation sehr präzise überwacht werden. Damit kann ein weiteres, von einer Messung unabhängiges System zur Bestimmung der Bohrungsform geschaffen werden, welches nicht auf einer Messung, sondern auf einer Simulation basiert und gegenüber herkömmlichen Methoden zur Formbestimmung (insbesondere dem Inprozessmessen) Vorteile unter anderem hinsichtlich Präzision und Dynamik bietet. Es wurde erkannt, dass eine Beurteilung der Maßhaltigkeit eines Bearbeitungsergebnisses allein durch optionales Inprozessmessen (Messen während der Honbearbeitung) und/oder eine optionale Nachmessstation (Messung nach Abschluss einer Honbearbeitung und gegebenenfalls Korrektur einer darauffolgenden Honoperation) spezifische Nachteile hat, die bei einer simulationsbasierten Ermittlung von Bohrungsform-Information vermieden werden können.
Zum einen wurde erkannt, dass das Inprozessmessen in manchen Fällen nicht dynamisch genug ist, um typische zyklische Ungleichmäßigkeiten des Abtrags entlang des Umfangs einer Bohrung genau genug zu erfassen. So können beispielsweise Unrundheiten höherer Ordnung, manchmal nur sehr abgeschwächt und/oder phasenverschoben abgebildet werden. 11A zeigt beispielhaft mit durchgezogener Wellenlinie die Innenfläche 107 eine Bohrung in einer vorgegebenen Axialebene und zum Vergleich den Verlauf ZYL der Innenfläche bei einer idealen Kreiszylinderform der Bohrung. 11B zeigt schematisch das Messergebnis einer Inprozessmessung der in 11A dargestellten Bohrung. Die radiale Linie RL zeigt an, dass das zugehörige lokale Minimum des Bohrungsradius gegenüber der tatsächlichen Lage dieses lokalen Minimums /vgl. 11A) um einige Grad in Umfangsrichtung phasenverschoben ist. Die Phasenverschiebung wird tendenziell mit zunehmender Drehzahl beim Messen größer. Die Phasenverschiebung kann z.B. problematisch sein, wenn Bohrungen mit Kleeblattform o.dgl. gehont werden sollen. Außerdem wurde erkannt, dass vorhandene Fehler in der Rundheit ggf. aufgrund der begrenzten Dynamik des Inprozessmessens nur zu einem geringen Anteil erkannt werden. Im Vergleich der 11A und 11B ist dies daran erkennbar, dass die gemessene Amplitude der Rundheitsabweichung (11B) geringer ist als die tatsächlich am Werkstück vorliegende Amplitude (11A). Gegebenenfalls kann es bei höheren Drehzahlen sein, dass eine vorliegende Unrundheit nicht mehr zuverlässig erkannt werden kann.
Potentielle Fehlerquellen beim Nachmessen werden anhand von 12 erläutert, die analog zu 11 eine in Umfangsrichtung wellige Bohrungsinnenfläche und zum Vergleich eine Kreiszylinderform zeigt. Das Nachmessen findet typischerweise an wenigen dedizierten Messpunkten in diametralen Messrichtungen statt (z.B. mit einem pneumatischen Messsystem mit diametral gegenüberliegenden Messdüsen). Die wenigen Messpunkte können je nach Lage der Messebenen im Verhältnis zu einem in Umfangsrichtung ungleichmäßigen Abtrag diesen nicht zuverlässig erfassen, denn der Abtrag erfolgt in Umfangsrichtung typischerweise in der Welligkeit der Anzahl von Schneidstoffkörpern am Honwerkzeug. In der Messkonfiguration von 12A wird die Bohrung zu klein gemessen und Unrundheiten werden nicht erkannt. In der Messkonfiguration von 12B wird die Bohrung zu groß gemessen und die Unrundheit wird nicht erkannt. Bei der Messkonfiguration in 12C ergibt sich eine korrekte Erfassung des mittleren Durchmessers, jedoch werden Unrundheiten dabei nicht erkannt. Nur im Falle der Messkonfiguration von 12D kann die Unrundheit korrekt erfasst werden. Eine vollständige Vermessung einer Bohrung ist jedoch aus Kosten- und Taktzeitgründen in der Regel praktisch nicht möglich. Häufig werden lediglich einige Werkstücke aus einer größeren Serie für eine statische Prozesskontrolle (sogenannte SPC-Teile) so vollständig vermessen, dass hier beispielshaft aufgezählten Messfehler erkannt werden können.
Bei manchen Ausführungsformen von Honverfahren und Honmaschinen gemäß der vorliegenden Anmeldung wird zur Vermeidung solcher Fehler im Rahmen einer prozessbegleitenden Simulation aus der örtlichen Verteilung des Abtrags bzw. aus der ortsauflösenden Überdeckungsanalyse eine Bohrungsform-Information ermittelt, welche die aktuelle Bohrungsform zum Ermittlungszeitpunkt, also während der laufenden Honoperation, repräsentiert. Die Bohrungsform-Information kann in den Prozess rückgekoppelt werden, um durch Regelung des Prozesses die vorgegebene Bohrungsform besser als bei einer Prozessführung ohne Rückkopplung der Bohrungsform-Information zu erzeugen.
Bei der Ermittlung der Bohrungsform-Information kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden. Zu Beginn der Honoperation liegt Information über die Anfangsform der Bohrung vor. Die Ausgangsform kann beispielsweise eine exakt kreiszylindrische Form sein. Die Anfangsform kann z.B. aufgrund von allgemeinen oder bohrungs-spezifischen Angaben aus der vorgeschalteten Vorbearbeitung bekannt sein. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Daten über die Anfangsform zu Beginn der Honoperation mittels Einrichtungen an der Honmaschine zu bestimmen. Beispielsweise kann anhand von Sensorsignalen der Honeinheit eine Ausgangsform bestimmt werden. Dazu können z.B. Positionssignale, Kraftsignale und Drehmomentsignale des Aufweitsystems und der Spindeldrehung erfasst und zur Gewinnung von Information über die Ausgangsform ausgewertet werden. Diese Art der Formbestimmung kann z.B. den Umstand nutzen, dass sich bei zunehmender Aufweitung (radialer Zustellung) des Honwerkzeugs nach dem Einführen das Drehmoment und die Drehzahl messbar ändern können, wenn es zu einem ersten Kontakt zwischen dem Honwerkzeug (bzw. den Schneidstoffkörpern) und der Innenfläche der Bohrung kommt.
Anhand der produktionsbegleitenden Abtragsanalyse kann nun ermittelt werden, auf welche Weise sich diese Bohrungsform bedingt durch den während der Honoperation erzielten, örtlich variierenden Abtrag ändert. Diese Ermittlung kann mit hoher Ortsauflösung erfolgen, so dass auch relativ hochfrequente Formabweichungen in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung der Bohrung durch die simulationsbasierte Bohrungsform-Analyse erfasst werden können. Aus der produktionsbegleitenden Simulation können dadurch beispielsweise zumindest qualitative Angaben zur Rundheit der Bohrung bzw. zu Rundheitsabweichungen, zur Zylindrizität der Bohrung bzw. zu Zylindrizitätsfehlern, oder Angaben zur Makroform der Bohrung, wie zum Beispiel einer axialen Kontur oder Konizität, einer Tonnenform und/oder einer Vorweite durch Simulation ermitteln und entsprechende Signale zur Weiterverarbeitung erzeugt werden.
Die Bohrungsform-Information kann dem Bediener in einem gesonderten Anzeigefeld der Anzeige- und Bedieneinheit angezeigt werden. Es ist auch möglich, die Bohrungsform-Information automatisiert weiter zu verarbeiten, beispielsweise um Korrektureingriffe in den Honprozess zu initiieren, wenn bestimmte Bohrungsform-Parameter einen vorgegebenen Grenzwert übersteigen.
Die Nutzung der durch Simulation erzeugten Bohrungsform-Information kann als Ergänzung zum Inprozessmessen und/oder zum Nachmessen oder aber als Ersatz für das Inprozessmessen und/oder Nachmessen vorgesehen sein. So ist es auch möglich, eine Honmaschine ohne Messsystem zu konfigurieren, die aufgrund der durch Simulation ermittelten Bohrungsform-Information einem Anwender dennoch prozessbegleiten Information über die aktuelle Bohrungsform liefert.

Claims

Honverfahren zur Bearbeitung einer Innenfläche (107) einer Bohrung (108) in einem Werkstück (106) mithilfe mindestens einer Honoperation, worin zur Durchführung einer Honoperation ein an eine Spindel (116) einer Bearbeitungsmaschine angekoppeltes, aufweitbares Honwerkzeug (200) in die Bohrung (108) eingeführt wird, mittels eines Hubantriebs (124) eine in Axialrichtung der Bohrung (108) hin und her gehende Relativbewegung zwischen dem Honwerkzeug (200) und der Bohrung (108) erzeugt wird, das Honwerkzeug (200) gleichzeitig mittels eines Drehantriebs (118) zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung gedreht wird, und mindestens ein an dem Honwerkzeug (200) angebrachter Schneidstoffkörper (210) zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche (107) mit einer Zustellkraft an die Innenfläche (107) angedrückt wird, wobei der Hubantrieb (124) und der Drehantrieb (118) durch Steuersignale der Steuereinheit (180) nach Maßgabe eines aufgrund von Honparametern generierten Honprogramms gesteuert werden, gekennzeichnet durch eine steuerungsintegrierte Abtragssimulation, die für das in der Steuereinheit (180) generierte Honprogramm eine sich daraus ergebende örtliche Verteilung des Abtrags auf der Innenfläche (107) der Bohrung (108) simuliert, wobei bei der steuerungsintegrierten Abtragssimulation als Grundlage für die Ermittlung der örtlichen Verteilung des Abtrags eine örtliche Verteilung einer Überdeckung der Innenfläche (107) durch Schneidstoffkörper (210) ermittelt wird, wobei die Überdeckung für jedes Flächenelement (FE) der Innenfläche (107) angibt, wie häufig das Flächenelement (FE) durch ein Flächenelement eines Schneidstoffkörpers (210) überfahren wird.
Honverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der steuerungsintegrierten Abtragssimulation für die Steuereinheit (180) zugängliche Positionswerte von Maschinenachsen der Honmaschine, insbesondere Positionswerte des Drehantriebs (118) und des Hubantriebs (124), in einem Simulationsmodus verarbeitet werden, wobei die Positionswerte vor und/oder während einer laufenden Honoperation unmittelbar vom Original-Steuerungscode der Steuereinheit (180) in Form von Sollwerten der entsprechenden Positionen bereitgestellt werden oder wobei die Positionswerte während einer laufenden Honoperation von Sensoren an Maschinenachsen der Honmaschine empfangen werden, wobei die Positionswerte Istwerte der Positionen repräsentieren.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorab-Simulation, worin die steuerungsintegrierte Abtragssimulation vorbereitend zu einer produktiven Honbearbeitung vor Beginn einer Honoperation durchgeführt wird, wobei vorzugsweise eine nachfolgende Honoperation auf Basis der mittels der Vorab-Simulation optimierten Honparameter durchgeführt wird.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine produktionsbegleitende Simulation, worin die steuerungsintegrierte Abtragssimulation zeitlich parallel zu einer produktiven Honbearbeitung zeitlich überlappend mit einer Honoperation durchgeführt wird.
Honverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorab-Simulation und/oder bei der produktionsbegleitenden Simulation eine automatische Ergebnisoptimierung durch systematische Parametervariation durchgeführt wird.
Honverfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der produktionsbegleitenden Simulation aus der örtlichen Verteilung des Abtrags eine Bohrungsform-Information ermittelt wird, welche eine aktuelle Bohrungsform repräsentiert.
Honverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Bohrungsform-Information als Ergänzung zu einer Inprozessmessung und/oder zu einer Nachmessung oder als Ersatz für eine Inprozessmessung und/oder für eine Nachmessung verwendet wird.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Visualisierung des Ergebnisses der steuerungsintegrierten Abtragssimulation an einer Anzeigeeinheit.
Honmaschine (100) zur Bearbeitung einer Innenfläche (107) einer Bohrung (108) in einem Werkstück (106) mithilfe mindestens einer Honoperation, mit: einer Honeinheit (110), die eine Spindel (116) mit einer Spindelachse aufweist, wobei an die Spindel (116) ein Honwerkzeug (200) direkt oder indirekt ankoppelbar ist, welches mindestens einen an die Innenfläche (107) der Bohrung (108) andrückbaren Schneidstoffkörper (210) zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche (107) aufweist, wobei die Spindel (116) und/oder das Werkstück (106) zur Erzeugung einer Hubbewegung mittels eines Hubantriebs (124) parallel zur Spindelachse hin und her bewegbar ist und die Spindel (116) zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung mittels eines Drehantriebs (118) um die Spindelachse drehbar ist; wobei der Hubantrieb (124) und der Drehantrieb (118) signalleitend mit einer Steuereinheit (180) der Honmaschine (100) verbunden sind und durch Steuersignale der Steuereinheit (180) nach Maßgabe eines aufgrund von vorgebbaren Honparametern generierten Honprogramms steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in die Steuereinheit (180) ein Simulationsmodul (150) integriert ist, welches dazu konfiguriert ist, eine steuerungsintegrierte Abtragssimulation auszuführen, die für das in der Steuereinheit (180) generierte Honprogramm eine sich daraus ergebende örtliche Verteilung des Abtrags auf der Innenfläche (107) der Bohrung (108) simuliert, wobei das Simulationsmodul (150) so konfiguriert, dass bei der steuerungsintegrierten Abtragssimulation als Grundlage für die Ermittlung der örtlichen Verteilung des Abtrags eine örtliche Verteilung einer Überdeckung der Innenfläche (107) durch Schneidstoffkörper (210) ermittelt wird, wobei die Überdeckung für jedes Flächenelement (FE) der Innenfläche (107) angibt, wie häufig das Flächenelement durch ein Flächenelement eines Schneidstoffkörpers (210) überfahren wird.
Honmaschine (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsmodul (150) derart konfiguriert ist, dass bei der steuerungsintegrierten Abtragssimulation für die Steuereinheit (180) zugängliche Positionswerte von Maschinenachsen der Honmaschine (100), insbesondere Positionswerte des Drehantriebs (118) und des Hubantriebs (124), in einem Simulationsmodus verarbeitbar sind, wobei die Positionswerte vor und/oder während einer laufenden Honoperation unmittelbar vom Original-Steuerungscode der Steuereinheit (180) in Form von Sollwerten der entsprechenden Positionen empfangbar sind oder wobei die Positionswerte während einer laufenden Honoperation von Sensoren an Maschinenachsen der Honmaschine (100) empfangbar sind, wobei die Positionswerte Istwerte der Positionen repräsentieren.
Honmaschine (100) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsmodul (150) zur Durchführung einer produktionsbegleitenden Simulation konfiguriert ist, wobei bei der produktionsbegleitenden Simulation die steuerungsintegrierte Abtragssimulation zeitlich parallel zu einer Honoperation durchgeführt wird und/oder dass das Simulationsmodul (150) zur Durchführung einer Vorab-Simulation konfiguriert ist, die vorbereitend zu einer produktiven Honbearbeitung vor Beginn einer Honoperation durchführbar ist, wobei vorzugsweise eine nachfolgende Honoperation auf Basis der mittels der Vorab-Simulation optimierten Honparameter durchführbar ist.
Honmaschine (100) nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsmodul (150) so konfiguriert ist, dass zwei unterschiedliche Simulationsmodi wählbar sind, wobei ein erster Simulationsmodus eine Vorab-Simulation und ein zweiter Simulationsmodus eine produktionsbegleitende Simulation ist.
Honmaschine (100) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (180) ein Parameter-Optimierungsmodul implementiert ist, das dafür konfiguriert ist, bei der Vorab-Simulation und/oder der produktionsbegleitenden Simulation eine automatische Ergebnisoptimierung durch systematische Parametervariation durchzuführen.
Honmaschine (100) nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationsmodul (150) konfiguriert ist, bei der produktionsbegleitenden Simulation aus der örtlichen Verteilung des Abtrags eine Bohrungsform-Information zu ermitteln, welche eine aktuelle Bohrungsform repräsentiert.
Honmaschine (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Visualisierung des Ergebnisses der steuerungsintegrierten Abtragssimulation an einer Anzeigeeinheit der Honmaschine (100).