DE102018206113A1 - Finishing method for producing a non-circular cylindrical bore and fine machining system and grinding tool unit - Google Patents
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Abstract
Ein Feinbearbeitungsverfahren zum Herstellen einer nicht-kreiszylindrischen Bohrung (110), die wenigstens einen nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt mit einem unrunden Bohrungsquerschnitt und/oder einem axialen Konturverlauf aufweist, verwendet eine Werkzeugmaschine (400), die eine Hauptspindel (410) aufweist, welche mittels eines ersten Antriebs (440) um eine Hauptspindelachse (412) drehbar und mittels eines zweiten Antriebs (450) parallel zur Hauptspindelachse verschiebbar ist. Die Bohrung (110) wird ausgehend von einer Ausgangsform durch eine Schleifoperation mit axial und/oder azimutal ungleichmäßigem Materialabtrag in eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform gebracht. Danach wird die Innenfläche der Bohrung mittels mindestens einer weiteren Bearbeitungsoperation endbearbeitet. Es wird eine Schleifwerkzeugeinheit (500) an die Hauptspindel (410) angekoppelt. Die Schleifwerkzeugeinheit hat einen um eine Grundkörper-Achse (522) drehbaren Grundkörper (520), der wenigstens eine Schleifspindeleinheit (550) mit einem Schleifwerkzeug (560) trägt, das mittels eines Schleifwerkzeug-Antriebs (580) um eine Schleifwerkzeugachse (562) rotierend antreibbar ist. Durch Erzeugen von Arbeitsbewegungen des Schleifwerkzeugs (560) wird eine Schleifoperation durchgeführt, wobei das Schleifwerkzeug (560) zur Erzeugung von Materialabtrag an der Bohrungsinnenfläche (115) mit einer vorgebbaren Drehzahl rotiert wird; eine abrasive Umfangsfläche (567) eines Schleifkörpers (565) des Schleifwerkzeugs durch einseitige Zustellung des Schleifwerkzeugs in Richtung der Bohrungsinnenfläche lokal in Eingriff mit der Bohrungsinnenfläche (115) gebracht wird; eine axiale Position des Schleifwerkzeugs (560) in der Bohrung über Ansteuerung des zweiten Antriebs (450) gesteuert wird; eine Winkelposition des Schleifwerkzeugs (560) in der Bohrung über Ansteuerung des ersten Antriebs (440) gesteuert wird; und eine lokale Materialabtragrate im lokalen Eingriffsbereich zwischen dem Schleifkörper (565) und der Bohrungsinnenfläche (115) über eine Variation der Zustellung des Schleifwerkzeugs und/oder über eine Variation der Drehzahl des Schleifkörpers und/oder über eine Variation der Kontaktzeit zwischen Schleifkörper und Bohrungsinnenfläche gesteuert wird.
Description
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIKAREA OF APPLICATION AND PRIOR ART
Die Erfindung betrifft ein Feinbearbeitungsverfahren zum Herstellen einer nicht-kreiszylindrischen Bohrung, die wenigstens einen nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt mit einem unrunden Bohrungsquerschnitt und/oder einem axialen Konturverlauf aufweist, sowie ein zur Durchführung des Feinbearbeitungsverfahrens geeignetes Feinbearbeitungssystem und eine dabei verwendbare Schleifwerkzeugeinheit.The invention relates to a fine machining method for producing a non-circular cylindrical bore, which has at least one non-circular cylindrical bore portion with a non-circular bore cross section and / or an axial contour, as well as a fine machining system suitable for carrying out the fine machining process and a grinding tool unit which can be used in the process.
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.The cylinder surfaces in cylinder blocks (cylinder crankcases) or cylinder liners of internal combustion engines or other reciprocating engines are exposed during operation of a strong tribological stress. Therefore, it is important in the production of cylinder blocks or cylinder liners to edit these cylinder surfaces so that later in all operating conditions sufficient lubrication is ensured by a lubricant film and the frictional resistance between relatively moving parts is minimized.
Die qualitätsbestimmende Endbearbeitung solcher tribologisch beanspruchbaren 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 hin- und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung mit einer vorgebbaren Drehzahl gedreht. Zur Aufweitung des Honwerkzeugs werden die am Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper über ein Zustellsystem radial zur Drehachse des Honwerkzeugs zugestellt. 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.The quality-determining finishing of such tribologically stressable inner surfaces is usually carried out with suitable honing methods, which typically comprise several successive honing operations. Honing is a machining process with geometrically indeterminate cutting edges. In a honing operation, an expandable honing tool is reciprocated within the bore to be machined to produce a stroke in the axial direction of the bore with a stroke frequency and simultaneously rotated to produce a rotational movement superimposed on the stroke with a presettable rotational speed. To widen the honing tool attached to the honing tool Schneidstoffkörper be delivered via a feed system radially to the axis of rotation of the honing tool. During honing, a cross-cut pattern typical for honing is usually produced on the inner surface with intersecting machining marks, which are also referred to as "honing marks".
Mit steigenden Anforderungen an die Sparsamkeit und Umweltfreundlichkeit von Motoren ist die Optimierung des tribologischen Systems Kolben/Kolbenringe/Zylinderlauffläche von besonderer Bedeutung, um geringe Reibung, geringen Verschleiß und geringen Ölverbrauch zu erreichen. With increasing demands on the economy and environmental friendliness of engines, the optimization of the tribological system piston / piston rings / cylinder surface is of particular importance in order to achieve low friction, low wear and low oil consumption.
Der makroskopischen Gestalt (Makroform) der Bohrungen sowie der Oberflächenstruktur kommt dabei besondere Bedeutung zu.The macroscopic shape (macro-shape) of the holes and the surface structure is of particular importance.
In vielen Fällen sollte eine Zylinderbohrung im Betrieb des Motors eine Bohrungsform haben, die möglichst wenig von einer idealen Kreiszylinderform abweicht, so dass das Kolbenringpaket über den gesamten Bohrungsumfang gut abdichten kann. Um dies zu erreichen ist es zweckmäßig, der Zylinderbohrung im kalten Werkstück eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform zu verleihen. Denn während der Montage und/oder während des Betriebs des Motors kann es zu deutlichen Formfehlern (Verzügen) kommen, die bis zu mehreren Hundertstel Millimeter betragen und die Performance des Motors verringern können. Die Dichtfunktion des Kolbenringpakets und die Kolbenreibung werden durch solche schwer kontrollierbaren Deformationen typischerweise verschlechtert, wodurch sich der Blow-by, der Ölverbrauch und auch die Reibung erhöhen können.In many cases, a cylinder bore in the operation of the engine should have a bore shape that deviates as little as possible from an ideal circular cylinder shape, so that the piston ring package can seal well over the entire bore circumference. To achieve this, it is expedient to give the cylinder bore in the cold workpiece a non-circular-cylindrical bore shape. Because during assembly and / or during operation of the engine can lead to significant form errors (distortion), which can be up to several hundredths of a millimeter and reduce the performance of the engine. The sealing function of the piston ring assembly and piston friction are typically degraded by such hard-to-control deformations, which can increase blow-by, oil consumption, and friction.
Es gibt bereits Feinbearbeitungsverfahren, die es ermöglichen, durch eine Invertierung der Zylinderverzüge (Erzeugung einer Negativform des Fehlers) bei der Bearbeitung des unverspannten Werkstücks die Entstehung einer Idealform nach der Montage oder im Betriebszustand des Motors wenigstens annähernd zu erreichen. Den Feinbearbeitungsverfahren ist gemeinsam, dass sie ausgehend von einer beispielsweise etwa kreiszylindrischen Ausgangsform der Bohrung durch örtlich ungleichmäßigen spanenden Materialabtrag eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform erzeugen können, die wenigstens einen nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt mit einem unrunden Bohrungsquerschnitt und/oder einem axialen Konturverlauf aufweist.There are already fine machining methods that make it possible, by an inversion of the cylinder distortions (generation of a negative shape of the error) in the processing of the unstrained workpiece to achieve the formation of an ideal shape after assembly or in the operating state of the engine at least approximately. The fine machining method has in common that they can produce a non-circular cylindrical bore shape, starting from an approximately circular-cylindrical starting shape of the bore by locally uneven machining material removal having at least one non-circular cylindrical bore portion with a non-circular bore cross-section and / or an axial contour.
Beim sogenannten Formhonen wird am unverspannten Werkstück mittels des Feinbearbeitungsverfahrens Honen eine von der Kreiszylinderform definiert abweichende Bohrungsform erzeugt. Die Endbearbeitung zur Erzeugung der gewünschten Oberflächenstruktur erfolgt ebenfalls mittels Honen. Verschiedene Varianten des Formhonens, die es erlauben, nicht-rotationssymmetrische Bohrungsformen mit einer systematischen Abweichung von einer 2-zähligen Rotationssymmetrie und gezielt strukturierten Bohrungsinnenflächen zu erzeugen, werden in der
Die
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AUFGABE UND LÖSUNGTASK AND SOLUTION
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein spanendes Feinbearbeitungsverfahren bereitzustellen, das es erlaubt, Bohrungen mit exakt vorgebbarer nicht-kreiszylindrischer Bohrungsform und definierter Oberflächenstruktur effizient und hinsichtlich der erzielbaren Bohrungsformen flexibel herzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe, die dazu erforderlichen Komponenten bereitzustellen. It is an object of the invention to provide a machining finishing method which allows to produce bores with exactly specifiable non-circular-cylindrical bore shape and defined surface structure efficiently and flexibly with regard to the achievable bore shapes. It is another object to provide the necessary components.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Feinbearbeitungsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin werden eine Schleifwerkzeugeinheit mit den Merkmalen von Anspruch 10 sowie ein Feinbearbeitungssystem mit den Merkmalen von Anspruch 17 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.To achieve this object, the invention provides a finishing method having the features of claim 1. Furthermore, a grinding tool unit with the features of claim 10 and a finishing system with the features of claim 17 are provided. Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated herein by reference.
Das Feinbearbeitungsverfahren dient zum Herstellen einer nicht-kreiszylindrischen Bohrung. Darunter wird hier eine Bohrung verstanden, die wenigstens einen nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt aufweist, der einem unrunden Bohrungsquerschnitt und/oder einen axialen Konturverlauf aufweist.The fine machining process is used to produce a non-circular cylindrical bore. This is understood here to mean a bore which has at least one noncircular cylindrical bore section which has a non-circular bore cross section and / or an axial contour profile.
Ein „unrunder Bohrungsquerschnitt“ ist dann gegeben, wenn die Querschnittsform der Bohrung in dem Bohrungsabschnitt von einer Kreisform signifikant abweicht. Der Querschnitt kann z.B. oval sein, eine Kleeblattform haben oder auch eine nicht-symmetrische Formabweichung, ggf. mit höherer Ordnung. Beispielsweise kann eine gleichmäßige oder ungleichmäßige Welligkeit in Umfangsrichtung (Azimutalrichtung) vorliegen.A "non-round bore cross-section" is given when the cross-sectional shape of the bore in the bore portion deviates significantly from a circular shape. The cross section may e.g. be oval, have a cloverleaf or even a non-symmetrical shape deviation, possibly with higher order. For example, there may be a uniform or irregular waviness in the circumferential direction (azimuthal direction).
Ein „axialer Konturverlauf“ ist z.B. dann gegeben, wenn die Querschnittsform und/oder die Querschnittsgröße der Bohrung in Axialrichtung variiert. Beispielsweise hat ein konisch gestalteter rotationssymmetrischer Bohrungsabschnitt einen axialen Konturverlauf, bei dem sich bei durchgehend kreisförmiger Querschnittsform der Bohrungsdurchmesser in Axialrichtung kontinuierlich vergrößert oder verkleinert.An "axial contour" is e.g. then given when the cross-sectional shape and / or the cross-sectional size of the bore varies in the axial direction. For example, a conically shaped rotationally symmetrical bore section has an axial contour profile in which the bore diameter in the case of a continuous circular cross-sectional shape increases or decreases continuously in the axial direction.
Eine Abweichung von der Kreiszylinderform kann ausschließlich darin bestehen, dass bei durchgehend kreisrunder Querschnittsform ein axialer Konturverlauf vorgesehen ist. Beispielsweise kann eine rotationssymmetrische Bohrung mit Tonnenform, Flaschenform oder Konusform oder eine Bohrung mit einem kreiszylindrischen Abschnitt und einem daran anschließenden konischen Abschnitt erzeugt werden. Wenn sich die Querschnittsform in Axialrichtung der Bohrung ändert, liegt zusätzlich ein axialer Konturverlauf vor. Möglich sind z.B. Bohrungen, die an einem Bohrungsende eine unrunde Querschnittsform (z.B. ovale Form oder Kleeblattform) haben, wobei sich diese Form mit zunehmendem Abstand von diesem Bohrungsende zu einer zunehmend kreisförmigen Querschnittsform verändert und gleichzeitig der mittlere Durchmesser in Richtung des anderen Bohrungsendes wie bei einem Konus allmählich zunimmt. In einem nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt kann also eine Überlagerung aus unrunder Form und axialem Konturverlauf vorliegen.A deviation from the circular cylindrical shape can only consist in that, in the case of a continuous circular cross-sectional shape, an axial contour profile is provided. For example, a rotationally symmetrical bore with barrel shape, bottle shape or cone shape or a bore with a circular cylindrical portion and an adjoining conical portion can be generated. If the cross-sectional shape changes in the axial direction of the bore, there is additionally an axial contour. Possible are e.g. Holes that have a non-circular cross-sectional shape (eg oval shape or cloverleaf) at a bore end, this shape changes with increasing distance from this bore end to an increasingly circular cross-sectional shape and at the same time gradually increases the average diameter towards the other end of the hole as a cone , In a non-circular-cylindrical bore section, therefore, an overlay of non-circular shape and axial contour can be present.
Soweit hier geometrische Formen (z.B. Kreisform, Kreiszylinderform etc.) der realen Bohrungsinnenfläche beschrieben werden, so sind nicht mathematisch exakte Formen gemeint, sondern solche im Rahmen der Fertigungstoleranzen des Feinbearbeitungsverfahrens, die geringfügig von der jeweils mathematisch exakten Form abweichen können. Entsprechend bezieht sich der Begriff „Abweichung“ auf solche Unterschiede zu einer Referenzform, die signifikant außerhalb der Fertigungstoleranzen liegen. As far as geometric shapes (eg circular shape, circular cylindrical shape, etc.) of the real bore inner surface are described here, not mathematically exact shapes are meant, but those within the manufacturing tolerances of the finishing process, which may differ slightly from the respective mathematically exact form. Accordingly, the term "deviation" refers to such differences from a reference form that are significantly outside the manufacturing tolerances.
Die Bohrung kann über ihre komplette Länge eine nicht-kreiszylindrische Gestalt haben. Es ist auch möglich, dass zusätzlich zu dem (mindestens einen) nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt wenigstens ein kreiszylindrischer Bohrungsabschnitt vorgesehen ist bzw. erzeugt wird.The bore may have a non-circular cylindrical shape over its entire length. It is also possible that, in addition to the (at least one) non-circular-cylindrical bore section, at least one circular-cylindrical bore section is provided or generated.
Das Feinbearbeitungsverfahren wird unter Verwendung einer Werkzeugmaschine durchgeführt, die eine Hauptspindel (Arbeitsspindel, Werkzeugmaschinenspindel) aufweist, welche mittels eines ersten Antriebs um eine Hauptspindelachse drehbar und mittels eines zweiten Antriebs parallel zur Hauptspindelachse (also in Axialrichtung) verschiebbar ist. Die Arbeitsbewegungen der Hauptspindel können durch Signale einer Steuereinheit der Werkzeugmaschine gesteuert werden, so dass z.B. die axiale Position, die Winkelposition und die Drehzahl der Hauptspindel und deren gegenseitigen Abhängigkeiten als Funktion der Zeit bzw. des Maschinentaktes durch ein Steuerprogramm präzise vorgegeben werden können.The fine machining process is performed by using a machine tool having a main spindle (work spindle, machine tool spindle) which is rotatable about a main spindle axis by means of a first drive and slidable by a second drive parallel to the main spindle axis (ie, in the axial direction). The working movements of the main spindle can be controlled by signals of a control unit of the machine tool, so that e.g. the axial position, the angular position and the rotational speed of the main spindle and their mutual dependencies as a function of time or the machine cycle can be precisely specified by a control program.
Die Bohrung wird ausgehend von einer Ausgangsform durch eine Schleifoperation mit axial und/oder azimutal ungleichmäßigem Materialabtrag in eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform gebracht. Da die Schleifoperation aufgrund des axial und/oder in Umfangsrichtung ungleichmäßigen Materialabtrags einen wesentlichen Anteil zur Formgebung der Bohrung leisten kann und mittels Schleifen eine signifikante Veränderung der Ausgangsform herbeigeführt wird, wird dieser Verfahrensschritt in dieser Anmeldung auch als „Formschleifoperation“ oder „Formschleifen“ bezeichnet.The bore is brought from an initial shape by a grinding operation with axially and / or azimuthally uneven material removal in a non-circular cylindrical bore shape. Since the grinding operation due to the axial and / or circumferentially uneven material removal can make a significant contribution to the shaping of the bore and by grinding a significant change in the initial shape is brought about, this process step in this application is also referred to as "form grinding operation" or "forming grinding".
Gemäß einer Formulierung der Erfindung wird nach Abschluss dieser Schleifoperation die dadurch geschliffene Innenfläche der Bohrung mittels mindestens einer weiteren Bearbeitungsoperation endbearbeitet Diese Endbearbeitung ermöglicht es, an der fertig bearbeiteten Bohrung eine Oberflächenstruktur zu erhalten, die sich von einer durch Schleifen erzielbaren Oberflächenstruktur unterscheidet. Bei der weiteren Bearbeitungsoperation kann es sich insbesondere um eine Honoperation handeln, mit der z.B. unter weitgehender Beseitigung der durch Schleifen erzeugten Oberflächenstruktur, aber unter weitgehender Beibehaltung der Makroform, die am Endprodukt gewünschte Oberflächenstruktur der Bohrung, z.B. mit gekreuzten Honriefen, erzeugt wird.According to one formulation of the invention, after completion of this grinding operation, the inner surface of the bore ground thereby is finished by means of at least one further machining operation. This finishing makes it possible to obtain a surface structure on the finished bore which differs from a surface structure obtainable by grinding. The further processing operation may be, in particular, a honing operation with e.g. while substantially eliminating the surface structure produced by grinding, while largely maintaining the macro-shape, the desired surface texture of the well, e.g. with crossed Honriefen, is generated.
Die Ausgangsform kann beispielsweise kreiszylindrisch sein, was aber nicht zwingend ist. Es ist auch möglich, die Bohrung vor Beginn der Schleifoperation durch eine entsprechende Vorbearbeitung, z.B. durch eine andere Schleifoperation oder durch eine Feinbohroperation, in eine nicht-kreiszylindrische Ausgangsform zu bringen, z.B. eine rotationssymmetrische Ausgangsform mit axialem Konturverlauf. Beispielsweise kann die Ausgangsform eine Tonnenform, Flaschenform oder Konusform oder eine Form mit einem kreiszylindrischen Abschnitt und wenigstens einem daran anschließenden konischen Abschnitt sein. Diese nicht-kreiszylindrische Ausgangsform kann dann durch die Formschleifoperation noch modifiziert werden, z.B. durch Erzeugen einer azimutalen Welligkeit an der bereits nicht-kreiszylindrischen Ausgangsform. Dadurch kann eine Bohrungsform mit signifikanten Abweichungen von der Rotationssymmetrie erzeugt werden.The initial shape may be, for example, circular cylindrical, but this is not mandatory. It is also possible to drill the hole prior to the start of the grinding operation by a corresponding pre-processing, e.g. by another grinding operation or by a fine boring operation, to bring into a non-circular cylindrical initial shape, e.g. a rotationally symmetric initial shape with axial contour. For example, the starting shape may be a barrel-shaped, bottle-shaped or cone-shaped or a shape having a circular-cylindrical section and at least one adjoining conical section. This non-circular cylindrical starting shape may then be further modified by the form grinding operation, e.g. by generating an azimuthal waviness at the already non-circular-cylindrical initial shape. This can produce a bore shape with significant deviations from rotational symmetry.
Bei dem Feinbearbeitungsverfahren wird zur Durchführung der Schleifoperation eine an die Arbeitsspindel ankoppelbare Schleifwerkzeugeinheit verwendet, die einen Grundkörper aufweist, der um eine Grundkörper-Achse drehbar ist. Der Grundkörper trägt wenigstens eine Schleifspindeleinheit mit einem daran befestigten Schleifwerkzeug, welches mittels eines Schleifwerkzeug-Antriebs um eine Schleifwerkzeugachse rotierend antreibbar ist. Der Schleifwerkzeug-Antrieb ist ein zur Schleifwerkzeugeinheit gehörender Antrieb, der zusätzlich zum ersten Antrieb der Werkzeugmaschine vorhanden ist und im Schleifbetrieb (während der Schleifoperation) eine Drehung des Schleifwerkzeugs unabhängig von einer eventuellen Drehung der Hauptspindel bewirken kann.In the fine machining method, a grinding tool unit which can be coupled to the work spindle and which has a main body that can be rotated about a main body axis is used to carry out the grinding operation. The main body carries at least one grinding spindle unit with a grinding tool attached thereto, which can be driven to rotate about a grinding tool axis by means of a grinding tool drive. The grinding tool drive is a drive belonging to the grinding tool unit, which is present in addition to the first drive of the machine tool and during grinding operation (during the grinding operation) can cause a rotation of the grinding tool regardless of a possible rotation of the main spindle.
Das Schleifwerkzeug weist einen Schleifkörper mit abrasiver Umfangsfläche auf. Der Durchmesser des Schleifkörpers ist in der Weise kleiner als der Bohrungsdurchmesser, dass ein Eingriff zwischen Bohrungsinnenwand und Schleifkörper nur in einem schmalen Eingriffsbereich am Umfang des Schleifkörpers stattfindet.The grinding tool has an abrasive body with an abrasive peripheral surface. The diameter of the abrasive body is smaller than the bore diameter in such a way that engagement between the bore inner wall and the abrasive body takes place only in a narrow engagement area on the circumference of the abrasive body.
Die Schleifwerkzeugeinheit wird an die Hauptspindel angekoppelt. Dann wird durch Erzeugen von Arbeitsbewegungen des Schleifwerkzeugs an der Bohrungsinnenfläche eine Schleifoperation mit axial und/oder azimutal ungleichmäßigem Materialabtrag (Formschleifoperation) durchgeführt. Dazu wird das Schleifwerkzeug über den Schleifwerkzeug-Antrieb mit einer vorgebbaren (konstanten oder zeitlich variierenden) Drehzahl rotiert, um an der Bohrungsinnenfläche den angestrebten Materialabtrag erzeugen zu können. Eine abrasive Umfangsfläche des Schleifkörpers des Schleifwerkzeugs wird durch einseitige Zustellung des Schleifwerkzeugs in Richtung der Bohrungsinnenfläche lokal in Eingriff mit der Bohrungsinnenfläche gebracht. In dem mehr oder weniger linienförmigen oder nur schmalen Eingriffsbereich zwischen Bohrungsinnenfläche und Schleifkörperumfangsfläche findet der Materialabtrag durch Schleifen statt. Eine axiale Position des Schleifwerkzeugs in der Bohrung wird über Ansteuern des zweiten Antriebs der Werkzeugmaschine gesteuert. Eine Winkelposition des Schleifwerkzeugs in der Bohrung wird über Ansteuerung des ersten Antriebs der Werkzeugmaschine gesteuert.The grinding tool unit is coupled to the main spindle. Then, by generating working motions of the grinding tool on the bore inner surface, a grinding operation with axially and / or azimuthally uneven material removal (shaping grinding operation) is performed. For this purpose, the grinding tool is rotated via the grinding tool drive with a predeterminable (constant or temporally varying) rotational speed in order to be able to produce the desired removal of material at the bore inner surface. An abrasive peripheral surface of the grinding wheel of the grinding tool is through one-sided delivery of the grinding tool in the direction of the bore inner surface locally brought into engagement with the bore inner surface. In the more or less linear or only narrow engagement region between the bore inner surface and the abrasive body peripheral surface of the material removal takes place by grinding. An axial position of the grinding tool in the bore is controlled by driving the second drive of the machine tool. An angular position of the grinding tool in the bore is controlled by driving the first drive of the machine tool.
Das Ausmaß des Materialabtrags im lokalen Eingriffsbereich zwischen Schleifkörper und Bohrungsinnenfläche, also die lokale Materialabtragrate bzw. das pro Zeiteinheit zerspante Volumen, wird über eine Variation der Zustellung des Schleifwerkzeugs und/oder über eine Variation der Drehzahl des Schleifkörpers und/oder über eine Variation der Kontaktzeit zwischen Schleifkörper und Bohrungsinnenfläche gesteuert.The extent of material removal in the local engagement region between the grinding body and the bore inner surface, ie the local material removal rate or the volume chipped per unit time, is determined by a variation of the delivery of the grinding tool and / or by a variation of the rotational speed of the grinding body and / or by a variation of the contact time controlled between the grinding wheel and the bore inner surface.
Bei der Schleifoperation wird der wesentliche Anteil der für den Materialabtrag erforderlichen Schnittgeschwindigkeit zwischen Schleifkörper und Bohrungsinnenfläche durch eine entsprechend hohe Drehzahl des Schleifwerkzeugs erreicht. Diese wird mittels des Schleifwerkzeug-Antriebs unabhängig von einer eventuellen Drehung der Hauptspindel erzeugt. Die über die Signale der Steuereinheit der Werkzeugmaschine gesteuerten Arbeitsbewegungen der Hauptspindel dienen überwiegend oder ausschließlich zum Führen des Schleifwerkzeugs innerhalb der Bohrung, insbesondere zur Vorgabe der axialen Position und der Winkelposition des Schleifwerkzeugs und damit zur Vorgabe der Lage des Eingriffsbereichs zwischen Umfang des Schleifkörpers und Bohrungsinnenfläche im Verlauf der Schleifoperation. Die Hauptspindel und der Schleifkörper können sich gleichsinnig oder gegensinnig drehen, wobei eine gegensinnige Drehung zur Erhöhung der effektiven Schnittgeschwindigkeit beitragen kann.During the grinding operation, the essential portion of the cutting speed between the grinding body and the bore inner surface required for material removal is achieved by a correspondingly high speed of the grinding tool. This is generated by means of the grinding tool drive, regardless of a possible rotation of the main spindle. The controlled over the signals of the control unit of the machine tool working movements of the main spindle are mainly or exclusively for guiding the grinding tool within the bore, in particular for specifying the axial position and the angular position of the grinding tool and thus to specify the position of the engagement region between the circumference of the grinding body and bore inner surface in Course of the grinding operation. The main spindle and the abrasive body can rotate in the same direction or in opposite directions, whereby an opposite rotation can contribute to increasing the effective cutting speed.
Über den ersten Antrieb und den zweiten Antrieb wird sichergestellt, dass das Schleifwerkzeug bzw. dessen Schleifkörper im Verlauf der Schleifoperation die komplette Innenfläche des in eine nicht-kreiszylindrische Form zu bringenden Bohrungsabschnitts erreichen kann, so dass an der gesamten Innenfläche dieses Bohrungsabschnitts mittels Schleifen mehr oder weniger stark Material abgetragen werden kann.By means of the first drive and the second drive, it is ensured that the grinding tool or its grinding body can reach the complete inner surface of the bore section to be brought into a non-circular cylindrical shape in the course of the grinding operation, so that more or more of the entire inner surface of this bore section can be obtained by grinding less material can be removed.
Durch Variation der Drehzahl und/oder der axialen Hubgeschwindigkeit der Hauptspindel kann über die Ansteuerung des ersten und des zweiten Antriebs die lokale Kontaktzeit zwischen Schleifkörper und Bohrungsinnenfläche in Abhängigkeit von der Axialposition und der Winkelposition des Eingriffsbereichs gezielt vorgegeben werden. In anderen Worten: diese beiden Antriebe können zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit des Schleifwerkzeugs entlang der vorgesehenen Bahn an der Bohrungsinnenfläche genutzt werden.By varying the rotational speed and / or the axial lifting speed of the main spindle, the local contact time between the grinding body and the bore inner surface can be predetermined in a targeted manner as a function of the axial position and the angular position of the engagement region via the activation of the first and the second drive. In other words, these two drives can be used to control the feed rate of the grinding tool along the intended path on the bore inner surface.
Die Schleifoperation (Formschleifoperation) kann als Spielart des Innenschleifens mittels Umfangsschleifen angesehen werden, unterscheidet sich allerdings vom klassischen Innenrundschleifen dadurch, dass die Arbeitsbewegungen des Schleifwerkzeugs so gesteuert werden, dass die mittels Schleifen erzeugte Bohrungsform signifikant von einer kreiszylindrischen Bohrungsform abweicht.The grinding operation (shaping grinding operation) can be regarded as a way of internal grinding by means of peripheral grinding, but differs from classic internal cylindrical grinding in that the working movements of the grinding tool are controlled such that the hole-shaped bore shape deviates significantly from a circular-cylindrical bore shape.
Bei vielen Verfahrensvarianten erfolgt eine variable Steuerung der Zustellung des Schleifwerkzeugs in Abhängigkeit von der axialen Position und der Winkelposition des Schleifwerkzeugs. Wird die Zustellposition des Schleifwerkzeugs bei einer Bewegung entlang der durch die Hauptspindel vorgegebenen Bahn verändert, kann das Schleifwerkzeug gezielt mehr oder weniger stark in Eingriff mit der Bohrungsinnenwand gebracht werden und dort Material abtragen. Die Zustellrichtung entspricht dabei vorzugsweise im Wesentlichen der lokalen Normalenrichtung auf die Bohrungsinnenfläche, kann aber auch schräg dazu verlaufen, wenn wenigstens eine Komponente der Zustellung senkrecht zur Bohrungsoberfläche orientiert ist.In many process variants, a variable control of the delivery of the grinding tool takes place as a function of the axial position and the angular position of the grinding tool. If the feed position of the grinding tool is changed during a movement along the path predetermined by the main spindle, the grinding tool can be targeted more or less strongly engaged with the bore inner wall and remove material there. The feed direction preferably corresponds substantially to the local normal direction to the bore inner surface, but may also run obliquely thereto if at least one component of the feed is oriented perpendicular to the bore surface.
Die Zustellung gehört zu denjenigen Schnittgrößen oder Eingriffsgrößen, die sich besonders präzise über Steuerbefehle der Steuereinheit der Werkzeugmaschine vorgeben lassen. Über eine variable Steuerung der Zustellung kann auch bei konstanter Drehzahl des Schleifwerkzeugs und/oder konstanter Drehzahl und Axialgeschwindigkeit der Hauptspindel präzise eine gezielte Abweichung von einer kreisrunden Bohrungsform erzeugt werden.The delivery is one of those internal forces or intervention variables that can be specified very precisely by means of control commands of the control unit of the machine tool. By means of a variable control of the infeed, a specific deviation from a circular bore shape can be generated precisely even at a constant rotational speed of the grinding tool and / or constant rotational speed and axial velocity of the main spindle.
Die Zustellung kann beispielsweise derart gesteuert werden, dass sie während einer Umdrehung der Hauptspindel gemäß einer vorgegebenen Funktion mit wenigstens einer Zunahme der Zustellposition und wenigstens einer Abnahme der Zustellposition variiert. Dadurch kann eine unrunde Querschnittsform gezielt erzeugt werden. Je nach Anzahl der Zunahmen und Abnahmen der Zustellposition können auch Formabweichungen höherer Ordnung in Umfangsrichtung mit hoher Präzision in jeder gewünschten Axialposition erzeugt werden.For example, the infeed may be controlled to vary during one revolution of the main spindle in accordance with a predetermined function with at least one increase in the infeed position and at least one decrease in the infeed position. As a result, a non-round cross-sectional shape can be generated selectively. Depending on the number of increases and decreases in the delivery position and higher-order form deviations in the circumferential direction can be generated with high precision in any desired axial position.
Bei manchen Varianten wird die Zustellposition des Schleifwerkzeugs durch radiale Verlagerung der Schleifspindeleinheit relativ zur Grundkörper-Achse der Schleifwerkzeugeinheit verändert. In diesem Fall findet also eine werkzeuginterne Zustellung statt.In some variants, the feed position of the grinding tool is changed by radial displacement of the grinding spindle unit relative to the main body axis of the grinding tool unit. In this case, an in-tool delivery takes place.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass eine Zustellposition des Schleifwerkzeugs durch radiale Verlagerung der Hauptspindel relativ zu ihrer Normalposition verändert wird. In diesem Fall können auch Schleifwerkzeugeinheiten verwendet werden, die keine werkzeuginterne Zustellung ermöglichen. Beispielsweise kann eine Werkzeugmaschine mit einer magnetisch gelagerten Hauptspindel verwendet werden. Darunter werden hier Werkzeugmaschinen verstanden, deren Hauptspindel in einer Magnetlagereinrichtung magnetisch gelagert ist. Dabei kann ein Vorteil der magnetischen Lagerung ausgenutzt werden, nämlich eine gewisse steuerbare Beweglichkeit der drehbaren Hauptspindel innerhalb des Lagerluftspalts. Die Magnetlagereinrichtung kann also maschinenfest montiert sein und die Hauptspindel ist gegenüber der Magnetlagereinrichtung magnetisch verlagerbar. So ist es beispielsweise möglich, mittels des ersten Antriebs die Hauptspindel um ihre Hauptspindelachse in eine Eigendrehung zu versetzen und gleichzeitig die Lage der Hauptspindelachse über elektrische Ansteuerung von Elektromagneten in Richtungen senkrecht zur Hauptspindelachse gezielt zu verlagern. Zwar ist das Ausmaß der möglichen Verlagerung bei heutzutage verfügbaren magnetisch gelagerten Spindeln relativ begrenzt, beispielsweise auf Größenordnungen von etwa 100 µm, jedoch reichen derartig geringe Auslenkungsmöglichkeiten in vielen Anwendungsfällen aus, um die gewünschten Formabweichungen in der Bohrung unter Zuhilfenahme einer Verlagerung der Hauptspindel zu erzeugen. Solche Formabweichungen liegen beispielsweise bei der Bearbeitung von Zylinderbohrungen für Hubkolbenmaschinen nicht selten in der Größenordnung von maximal 25 bis 30 µm im Radius bzw. 50 bis 60 µm im Durchmesser der Bohrung. Alternatively or additionally, it is also possible that a feed position of the grinding tool is changed by radial displacement of the main spindle relative to its normal position. In this case also abrasive tool units can be used, which do not allow tool-internal delivery. For example, a machine tool with a magnetically mounted main spindle can be used. These are understood here as machine tools whose main spindle is magnetically mounted in a magnetic bearing device. In this case, an advantage of the magnetic bearing can be exploited, namely a certain controllable mobility of the rotatable main spindle within the bearing air gap. The magnetic bearing device can thus be mounted fixed to the machine and the main spindle is magnetically displaceable relative to the magnetic bearing device. For example, it is possible to use the first drive to set the main spindle about its main spindle axis in a self-rotation and at the same time to shift the position of the main spindle axis via electrical control of electromagnets in directions perpendicular to the main spindle axis. While the amount of possible displacement in magnetically supported spindles available today is relatively limited, for example, to the order of about 100 microns, such small deflection capabilities are sufficient in many applications to produce the desired shape deviations in the bore with the aid of a main spindle displacement. Such deviations in form are, for example, in the machining of cylinder bores for reciprocating engines not infrequently in the order of a maximum of 25 to 30 microns in the radius or 50 to 60 microns in the diameter of the bore.
Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass die Zustellposition des Schleifwerkzeugs durch radiale Verlagerung der das Schleifwerkzeug tragenden rotierbaren Schleifspindel relativ zu ihrer Lagereinrichtung verändert wird. Beispielsweise kann eine Schleifspindeleinheit mit einer magnetisch gelagerten Schleifspindel verwendet werden, so dass es möglich ist, die Achslage des rotierenden Teils gegenüber dem nicht-rotierenden Teil durch elektrische Ansteuerung gezielt zu verändern.It is alternatively or additionally also possible that the feed position of the grinding tool is changed by radial displacement of the grinding tool carrying the rotatable grinding spindle relative to its bearing means. For example, a grinding spindle unit with a magnetically mounted grinding spindle can be used, so that it is possible to change the axial position of the rotating part relative to the non-rotating part by means of electrical control.
Bei manchen Verfahrensvarianten wird eine variable Steuerung der Drehzahl des Schleifwerkzeugs in Abhängigkeit von der axialen Position und der Winkelposition des Schleifwerkzeugs durchgeführt. Die Drehzahlen können z.B. im Bereich von 600 min-1 bis 10000 min-1 oder darüber liegen. Durch Erhöhung der Drehzahl ergibt sich in der Regel ein höherer Materialabtrag pro Zeiteinheit wegen entsprechend höherer Schnittgeschwindigkeit. Durch eine Variation der Drehzahl kann somit auch bei konstanter Zustellposition ein örtlich variierender Materialabtrag erzeugt werden. Die Drehzahl kann beispielsweise derart gesteuert werden, dass sich die Drehzahl während einer Umdrehung der Hauptspindel gemäß einer vorgebbaren Drehzahlfunktion mit wenigstens einer Zunahme der Drehzahl und wenigstens einer Abnahme der Drehzahl variiert. Die Andruckkräfte des Schleifwerkzeugs an die Bohrungsinnenfläche können bei dieser Variante zum großen Teil aus Elastizität innerhalb des Feinbearbeitungssystems resultieren, die dann relaxieren, wenn das rotierende Schleifwerkzeug Material abträgt.In some method variants, a variable control of the rotational speed of the grinding tool is carried out as a function of the axial position and the angular position of the grinding tool. The rotational speeds may lie min -1 or above, for example in the range from 600 min -1 10,000. Increasing the speed usually results in a higher material removal per unit of time due to a correspondingly higher cutting speed. As a result of a variation of the rotational speed, a locally varying removal of material can thus be generated even with a constant infeed position. The speed can be controlled, for example, such that the speed during a revolution of the main spindle varies according to a predetermined speed function with at least one increase in speed and at least one decrease in speed. The pressure forces of the grinding tool on the bore inner surface can result in this variant, for the most part from elasticity within the finishing system, which then relax when the rotating grinding tool removes material.
Wenn es die Bearbeitungsaufgabe ermöglicht, allein durch variable Steuerung der Drehzahl zu örtlich ungleichem Materialabtrag zu gelangen, so können Schleifwerkzeugeinheiten bzw. Feinbearbeitungssysteme verwendet werden, die keine Möglichkeit zur Variation der Zustellung des Schleifwerkzeugs bieten. Über eine variable Steuerung der Drehzahl können jedoch nach den Erfahrungen der Erfinder in der Regel nur relativ geringe absolute Materialabträge zuverlässig erzielt werden, beispielsweise im Bereich von maximal 10 µm. Dies kann jedoch in vielen Fällen, beispielsweise beim Formschleifen von Zylinderlaufflächen, durchaus ausreichend sein.If the machining task makes it possible to achieve locally uneven material removal simply by variably controlling the rotational speed, grinding tool units or finishing systems can be used which offer no possibility of varying the infeed of the grinding tool. By means of a variable control of the rotational speed, however, according to the experience of the inventors, generally only relatively small absolute material abrasions can be achieved reliably, for example in the range of a maximum of 10 μm. However, this can be sufficient in many cases, for example in the form of grinding of cylinder surfaces.
Eine variable Steuerung der Zustellung des Schleifwerkzeugs kann mit einer variablen Steuerung der Drehzahl des Schleifwerkzeugs kombiniert bzw. überlagert werden. Es ist auch möglich, eine der Einflussgrößen (z.B. die Zustellung) zu variieren und dabei die andere Einflussgröße (z.B. die Drehzahl) konstant zu halten.A variable control of the delivery of the grinding tool can be combined or superimposed with a variable control of the rotational speed of the grinding tool. It is also possible to vary one of the influencing variables (for example the infeed) while keeping the other influencing variable (for example the rotational speed) constant.
Bei bevorzugten Varianten wird die Schleifwerkzeugeinheit starr an die Hauptspindel angekoppelt. Bei einer starren Ankopplung liegt die Grundkörper-Achse dauerhaft koaxial mit der Hauptspindelachse. Dadurch ist eine besonders exakte Steuerung der Position des lokalen Eingriffs zwischen Schleifkörper und Bohrungsinnenfläche über die Antriebe der Hauptspindel Werkzeugmaschine möglich.In preferred variants, the grinding tool unit is rigidly coupled to the main spindle. In a rigid coupling, the main body axis is permanently coaxial with the main spindle axis. As a result, a particularly precise control of the position of the local engagement between the grinding wheel and the bore inner surface via the drives of the main spindle machine tool is possible.
Eine starre Ankopplung ist jedoch nicht zwingend. Alternativ kann zwischen dem Grundkörper der Schleifwerkzeugeinheit und der Hauptspindel wenigstens ein Gelenk vorhanden sein, welches beispielsweise in die Schleifwerkzeugeinheit integriert sein kann. In diesem Fall können gesonderte Führungseinrichtungen zur Führung der axialen Bewegung der Schleifwerkzeugeinheit innerhalb der Bohrung günstig sein, beispielsweise eine obere Führung und/oder eine untere Führung außerhalb des Werkstücks.However, a rigid coupling is not mandatory. Alternatively, at least one joint may be present between the main body of the grinding tool unit and the main spindle, which may be integrated into the grinding tool unit, for example. In this case, separate guide means for guiding the axial movement of the grinding tool unit within the bore may be favorable, for example an upper guide and / or a lower guide outside the workpiece.
Es ist auch möglich, eine innere Führung der Schleifwerkzeugeinheit in der Bohrung vorzusehen. So gibt es beispielsweise Ausführungsformen von Schleifwerkzeugeinheiten, die eine aufweitbare Führungsgruppe mit mehreren um den Umfang des Grundkörpers verteilten Führungsleisten aufweisen, die teilweise oder vollständig zwischen dem Schleifwerkzeug und einer spindelseitigen Kupplungsstruktur der Schleifwerkzeugeinheit und/oder zwischen dem Schleifwerkzeug und einem spindelfernen Ende des Grundkörpers angeordnet und mittels eines Führungsgruppen-Zustellsystems unabhängig von dem Schleifwerkzeug radial zugestellt werden können.It is also possible to provide an internal guide of the grinding tool unit in the bore. For example, there are embodiments of grinding tool units which have an expandable guide group with a plurality of guide rails distributed around the circumference of the main body, which can be arranged partially or completely between the grinding tool and a spindle-side coupling structure of the grinding tool unit and / or between the grinding tool and a spindle distal end of the body and can be delivered radially independently of the grinding tool by means of a guide group feed system.
Nach Abschluss der Schleifoperation (Formschleifoperation) weist die Bohrungsinnenfläche in der Regel eine typische Schleifstruktur auf, die unter anderem gekennzeichnet ist durch Schleifriefen, die mehr oder weniger in Umfangsrichtung der Bohrungsinnenwand verlaufen. Eine derartige Struktur kann für manche Anwendungsfälle günstig sein, so dass keine weitere Bearbeitungsoperation nötig ist und die Schleifoperation die bestimmungsgemäße Oberflächenstruktur erzeugt. In solchen Fällen kann eine weitere Bearbeitungsoperation entfallen. Dies wird als besonderer Aspekt der vorliegenden Offenbarung angesehen. Eine Formschleifoperation ohne nachfolgende weitere Bearbeitungsoperation ist somit ebenfalls Gegenstand dieser Offenbarung.After completion of the grinding operation (shaping grinding operation), the bore inner surface usually has a typical abrasive structure, which is characterized, inter alia, by grinding grooves which extend more or less in the circumferential direction of the bore inner wall. Such a structure may be favorable for some applications, so that no further machining operation is necessary and the grinding operation generates the intended surface structure. In such cases, another machining operation can be omitted. This is considered a particular aspect of the present disclosure. A form grinding operation without subsequent further processing operation is thus also the subject of this disclosure.
In der Regel wird jedoch nach der Schleifoperation die Innenfläche der Bohrung mittels mindestens einer weiteren Bearbeitungsoperation endbearbeitet. Diese Endbearbeitung kann mittels Honen durchgeführt werden. Beispielsweise schließt sich bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen in Zylindern für Hubkolbenmaschinen an die Schleifoperation typischerweise mindestens eine Honoperation an. Bei manchen Ausführungsformen wird dazu nach Abschluss der Schleifoperation die Schleifwerkzeugeinheit von der Hauptspindel abgekoppelt, ein Honwerkzeug wird an die Hauptspindel angekoppelt und mittels des Honwerkzeugs wird mindestens eine Honoperation an der Bohrungsinnenfläche durchgeführt. Dadurch können die beiden unterschiedlichen spanenden Bearbeitungsverfahren (erst Schleifen, danach Honen) ohne Umspannen des Werkstücks in ein und derselben Aufspannung durchgeführt werden, wodurch die Bearbeitungspräzision besonders hoch wird.In general, however, after the grinding operation, the inner surface of the bore is finished by means of at least one further machining operation. This finishing can be done by honing. For example, when machining cylinder surfaces in cylinders for reciprocating engines, the grinding operation typically includes at least one honing operation. In some embodiments, after completion of the grinding operation, the grinding tool unit is decoupled from the main spindle, a honing tool is coupled to the main spindle, and at least one honing operation is performed on the bore inner surface by means of the honing tool. As a result, the two different machining processes (first grinding, then honing) can be carried out without re-clamping the workpiece in one and the same set-up, which makes the machining precision particularly high.
Als Alternative kann eine Schleifwerkzeugeinheit verwendet werden, die eine gesondert zustellbare Schneidgruppe zum Honen aufweist. Diese wird dann anstelle des Schleifkörpers in Arbeitseingriff mit der Bohrungsinnenfläche gebracht. Die Schleifwerkzeugeinheit kann insoweit ähnlich aufgebaut sein wie ein Honwerkzeug mit Doppelaufweitung. Die Schneidgruppe für das Honen kann z.B. im spindelabgewandten Endbereich dieser Werkzeugeinheit angeordnet sein, so dass der Schleifkörper näher an der Kupplungsstelle zwischen dieser und der Schneidgruppe zum Honen liegt.Alternatively, a grinding tool unit may be used which has a separately deliverable cutting group for honing. This is then brought into working engagement with the bore inner surface instead of the abrasive body. The grinding tool unit can be constructed to the same extent as a honing tool with double widening. The cutting group for honing may e.g. be arranged in the spindle facing away end of this tool unit, so that the grinding body is closer to the coupling point between this and the cutting group for honing.
Bei manchen Ausführungsformen wird nach Abschluss der Schleifoperation eine Nachlauf-Honoperation zur Erzeugung einer an der Bohrungsinnenfläche gewünschten Oberflächenstruktur im Wesentlichen ohne Veränderung der Makroform der Bohrung durchgeführt. Beim „Nachlaufhonen“ können hierfür besonders konzipierte Honwerkzeuge verwendet werden, die nur schwach abrasive und/oder elastisch nachgiebig und/oder federnd gehaltene Schneidstoffkörper aufweisen, die einer vorher durch Schleifen erzeugten Kontur der Bohrung im Wesentlichen nachlaufen und in erster Linie nur gröbere und ggf. feinere Schleifriefen beseitigen und die Oberflächenstruktur verbessern, ohne die Makroform signifikant zu verändern. Mit einer Nachlauf-Honoperation kann beispielsweise eine Kreuzschliffstruktur geeigneter Rauheit und geeigneter Honwinkel erzeugt werden.In some embodiments, after completion of the grinding operation, a post-honing operation is performed to produce a surface texture desired on the bore interior surface substantially without changing the macro-shape of the bore. In the case of "after-honing honing", specially designed honing tools can be used which have only weakly abrasive and / or elastically yielding and / or resilient cutting material bodies which substantially follow a contour of the bore previously created by grinding and are primarily coarser and possibly eliminate finer grinding marks and improve the surface structure without significantly changing the macro-shape. With a follow-up honing operation, for example, a cross-cut structure of suitable roughness and suitable honing angle can be produced.
Die Schleifoperation (Formschleifoperation) kann nach Maßgabe einer Voreinstellung gesteuert werden (open loop control), um die angestrebte nicht-kreiszylindrische Bohrungsform zu erhalten. Bei manchen Ausführungsformen wird die Schleifoperation in Abhängigkeit von durch Messung der Bohrung gewonnenen Form-Messsignalen, insbesondere Durchmesser-Messsignalen, gesteuert. Hierdurch kann ggf. die angestrebte Bohrungsform mit höherer Formgenauigkeit erreicht werden. Am einfachsten kann die messungsunterstützte Formschleifoperation durch Verwendung einer Nachmess-Station realisiert werden, die eine fertig bearbeitete Bohrung misst, um ggf. (bei zu großen Formabweichungen) auf Basis der Messergebnisse die Bearbeitungsparameter für die Bearbeitung der folgenden Bohrungen gezielt modifizieren zu können. Eine Nachmess-Station, die z.B. mit einem Luftmessdorn oder mit taktilen Sensoren ausgestattet sein kann, kann z.B. dann ausreichen, wenn die Ausgangsform, z.B. eine „Grundflaschenform“ oder ein Konus, durch eine bekannte vorherige, in-prozess-geregelte Konturhonung mit einem Ringwerkzeug erzeugt wurde und durch das Formschleifen danach nur relativ geringe lokale Formänderungen eingebracht werden sollen. Es ist auch eine Formschleifoperation unter Nutzung einer In-Prozess-Messung möglich, um ggf. während der Schleifoperation die Bearbeitungsparameter dynamisch in Abhängigkeit von Form-Messsignalen, wie z.B. Durchmesser-Messsignalen, ändern zu können (closed loop control). Die Schleifwerkzeugeinheit kann hierzu einen oder mehrere integrierte Sensoren eines Form-Messsystems aufweisen, z.B. Luftmessdüsen, die radial ausgerichtet sein können. Sensoren können z.B. in Höhe des Schleifkörpers, ggf. aber auch oberhalb und/oder unterhalb angeordnet sein. Die in der Regel relativ langsame Bewegung der Hauptspindel (Axial und/oder Drehung) ermöglicht auch bei relativ trägen Messsystemen ein genaues Messen.The grinding operation (form grinding operation) can be controlled according to a preset (open loop control) to obtain the desired non-circular cylindrical bore shape. In some embodiments, the grinding operation is controlled in response to shape measurement signals obtained by measuring the bore, particularly diameter measurement signals. As a result, if necessary, the desired hole shape can be achieved with higher dimensional accuracy. The easiest way to realize the measurement-assisted shape grinding operation is by using a post-measurement station which measures a finished bore to selectively modify (if the shape deviates too much) based on the measurement results the machining parameters for machining the following holes. A post-measuring station, e.g. can be equipped with an air gauge or with tactile sensors, e.g. then sufficient if the initial form, e.g. a "basic bottle shape" or a cone, was produced by a known prior, in-process controlled contouring with a ring tool and to be introduced by the shaping grinding thereafter only relatively small local shape changes. It is also possible to perform a form grinding operation using in-process measurement to dynamically adjust the machining parameters dynamically depending on shape measurement signals, such as during grinding operation. Diameter measurement signals to be able to change (closed loop control). The grinding tool unit may for this purpose comprise one or more integrated sensors of a shape measuring system, e.g. Air measuring nozzles, which can be radially aligned. Sensors can e.g. in the amount of the grinding wheel, but possibly also be arranged above and / or below. The generally relatively slow movement of the main spindle (axial and / or rotation) allows accurate measurement even with relatively sluggish measuring systems.
Die Erfindung betrifft auch eine Schleifwerkzeugeinheit, die im Rahmen des Feinbearbeitungsverfahrens verwendet werden kann, gegebenenfalls aber auch bei anderen Feinbearbeitungsverfahren. Die Schleifwerkzeugeinheit hat einen Grundkörper, der mittels einer Kupplungseinrichtung an eine Hauptspindel einer Werkzeugmaschine angekoppelt werden kann und durch Arbeitsbewegungen der Hauptspindel um eine Grundkörper-Achse drehbar und parallel zur Grundkörper-Achse bewegbar ist. Die Schleifwerkzeugeinheit weist (mindestens) eine von dem Grundkörper getragene Schleifspindeleinheit zum Tragen eines Schleifwerkzeugs auf, das einen Schleifkörper mit einer abrasiven Umfangsfläche aufweist und mittels eines Schleifwerkzeug-Antriebs um eine Schleifwerkzeugachse rotierend angetrieben werden kann. Der Schleifwerkzeug-Antrieb ist in die Schleifwerkzeugeinheit integriert.The invention also relates to a grinding tool unit which can be used in the course of the finishing process. but possibly also in other finishing processes. The grinding tool unit has a base body which can be coupled by means of a coupling device to a main spindle of a machine tool and is rotatable by working movements of the main spindle about a main body axis and parallel to the main body axis. The grinding tool unit has (at least) a grinding spindle unit carried by the base body for supporting a grinding tool having an abrasive body with an abrasive peripheral surface and rotatably driven about a grinding tool axis by a grinding tool driver. The grinding tool drive is integrated in the grinding tool unit.
Die Schleifwerkzeugeinheit stellt somit eine autarke Werkzeugeinheit dar, die einen Eigenantrieb zum Drehen des Schleifkörpers beinhaltet. Auf einen externen Antrieb, der z.B. über ein Getriebe auf das Schleifwerkzeug wirkt und dieses antreibt, kann verzichtet werden. Die Hauptspindel, an die die Schleifwerkzeugeinheit angekoppelt wird, dient in erster Linie der Führung der Schleifwerkzeugeinheit, um die abrasive Umfangsfläche des Schleifkörpers gezielt an vorgegebenen Positionen mit der Innenfläche einer zu bearbeitenden Bohrung in Eingriff zu bringen.The grinding tool unit thus represents a self-contained tool unit, which includes a self-propelled to rotate the grinding wheel. On an external drive, e.g. via a gear on the grinding tool acts and this drives, can be dispensed with. The main spindle to which the grinding tool unit is coupled serves primarily to guide the grinding tool unit to selectively engage the abrasive peripheral surface of the grinding wheel at predetermined positions with the inner surface of a bore to be machined.
Bei vielen Ausführungsformen weist der Schleifwerkzeug-Antrieb einen Elektromotor auf. Die Schleifspindeleinheit kann nach Art einer elektrisch betriebenen Motorspindel geeigneter Größe ausgelegt sein, bei der der Stator der Motorspindel am Grundkörper oder an einer vom Grundkörper getragenen Komponente der Schleifwerkzeugeinheit montiert ist und der Rotor der Schleifspindeleinheit, z.B. eine rotierbare Welle, den Schleifkörper trägt. Bei Verwendung eines Elektromotors als Schleifwerkzeug-Antrieb sind besonders gute Steuerungsmöglichkeiten hinsichtlich der Drehzahl des Schleifkörpers gegeben.In many embodiments, the grinding tool drive has an electric motor. The grinding spindle unit may be designed in the manner of an electrically operated motor spindle of suitable size, in which the stator of the motor spindle is mounted on the main body or on a component of the grinding tool unit carried by the main body and the rotor of the grinding spindle unit, e.g. a rotatable shaft that carries abrasive wheels. When using an electric motor as a grinding tool drive particularly good control options are given in terms of the speed of the grinding wheel.
Als Alternative ist es beispielsweise möglich, dass die Schleifwerkzeugeinheit ein Fluidkanalsystem zur Zufuhr von Kühlschmierstoff in die Schleifwerkzeugeinheit aufweist und dass der Schleifwerkzeug-Antrieb eine Turbine zur Umsetzung von Strömungsenergie des Kühlschmierstoffs in eine Drehbewegung des Schleifwerkzeugs aufweist. Ein derartiger hydraulischer Antrieb kann beispielsweise dort genutzt werden, wo die Werkzeugmaschine ohnehin mit Einrichtungen zur internen Kühlschmierstoffzuführung zu einem angekoppelten Werkzeug ausgestattet ist.As an alternative, it is possible, for example, for the grinding tool unit to have a fluid channel system for supplying cooling lubricant into the grinding tool unit, and for the grinding tool drive to have a turbine for converting the flow energy of the cooling lubricant into a rotary movement of the grinding tool. Such a hydraulic drive can for example be used where the machine tool is already equipped with facilities for internal coolant supply to a coupled tool.
Gegebenenfalls kann auch ein pneumatischer Antrieb für das Schleifwerkzeug vorgesehen sein.Optionally, a pneumatic drive for the grinding tool can be provided.
Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Schleifspindeleinheit fest am Grundkörper montiert ist, so dass sie gegenüber dem Grundkörper nicht verlagert werden kann. Solche Schleifwerkzeugeinheiten können beispielsweise dann verwendet werden, wenn die Werkzeugmaschine eine Hauptspindel hat, die senkrecht zur Hauptspindelachse gesteuert verlagert werden kann, wie beispielsweise bei einer magnetisch gelagerten Spindel.In some embodiments, it is provided that the grinding spindle unit is fixedly mounted on the base body, so that it can not be displaced relative to the base body. Such abrasive tool units can be used, for example, when the machine tool has a main spindle that can be displaced controlled perpendicular to the main spindle axis, such as a magnetically supported spindle.
Universeller einsetzbar sind Schleifwerkzeugeinheiten, die sich dadurch auszeichnen, dass sie ein bezüglich des Grundkörpers bewegliches Zustellelement einer Zustelleinrichtung zur Zustellung des Schleifwerkzeugs in Richtung der Bohrungsinnenfläche aufweisen. Die Zustelleinrichtung kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass das vom Grundkörper getragene Schleifwerkzeug bzw. die Schleifspindeleinheit im angekoppelten Zustand der Schleifwerkzeugeinheit gesteuert z.B. in Radialrichtung zur Grundkörper-Achse verlagert werden kann. Dadurch kann der Radialabstand zwischen dem zum Eingreifen an der Bohrungsinnenwand vorgesehenen Umfangsabschnitt des Schleifkörpers und der Grundkörperachse vorzugsweise stufenlos verstellt werden. Der Wirkradius der Schleifwerkzeugeinheit kann somit durch externe Steuerung über die Zustelleinrichtung während einer Schleifoperation nach einer Vorgabe ortsabhängig verändert werden, und zwar insbesondere in Abhängigkeit von der Axialposition und der Winkelposition der Hauptspindel bzw. des daran angekoppelten Grundkörpers.Abrasive tool units which are distinguished by the fact that they have a feed element, which is movable relative to the main body, of a feed device for feeding the grinding tool in the direction of the bore inner surface can be used more universally. By way of example, the feed device can be designed in such a way that the grinding tool or the grinding spindle unit carried by the main body is controlled in the coupled state of the grinding tool unit, e.g. can be displaced in the radial direction to the body axis. Thereby, the radial distance between the provided for engaging the bore inner wall peripheral portion of the grinding body and the body axis preferably be adjusted continuously. The effective radius of the grinding tool unit can thus be changed depending on location by external control via the feed device during a grinding operation according to a specification, in particular in dependence on the axial position and the angular position of the main spindle or of the main body coupled thereto.
Bei manchen Ausführungsformen weist die Zustelleinrichtung einen in die Schleifwerkzeugeinheit integrierten elektrisch ansteuerbaren Aktuator zur Verlagerung der Schleifspindeleinheit auf. Bei dem Aktuator kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor oder um einen piezoelektrisch arbeitenden Aktuator handeln. Ein einziger Aktuator kann ausreichen, es ist jedoch auch möglich, mehrere koordiniert ansteuerbare Aktuatoren vorzusehen.In some embodiments, the feed device has an electrically controllable actuator integrated in the grinding tool unit for displacing the grinding spindle unit. The actuator may, for example, be an electric motor or a piezoelectrically operating actuator. A single actuator may suffice, but it is also possible to provide a plurality of actuators that can be controlled in a coordinated manner.
Bei manchen Ausführungsformen weist die Zustelleinrichtung einen Zustellkonus auf, der in einer parallel zur Grundkörper-Achse verlaufenden Führungsöffnung axial verschiebbar angeordnet ist und über zusammenwirkende Keilflächen bei axialer Verlagerung des Zustellkonus eine radiale Zustellung der Schleifspindeleinheit bewirkt. Derartige Schleifwerkzeugeinheiten können besonders vorteilhaft mit Werkzeugmaschinen in Form von Honmaschinen genutzt werden, da diese typischerweise ein präzise steuerbares Zustellsystem aufweisen, welches innerhalb der Hauptspindel ein axial verschiebbares Zustellelement aufweist, welches bei angekoppeltem Werkzeug mit einem werkzeuginternen axial verschiebbaren Zustellelement zusammenwirkt. In diesem Fall kann auf gesonderte Aktuatoren innerhalb der Schleifwerkzeugeinheit verzichtet werden.In some embodiments, the feed device has a feed cone, which is arranged so as to be axially displaceable in a guide opening extending parallel to the main body axis and effects a radial infeed of the grinding spindle unit via cooperating wedge surfaces with axial displacement of the feed cone. Such grinding tool units can be used particularly advantageously with machine tools in the form of honing machines, as these typically have a precisely controllable feed system which has an axially displaceable feed element within the main spindle, which interacts with a tool-internally axially displaceable feed element when the tool is coupled. In In this case, it is possible to dispense with separate actuators within the grinding tool unit.
Der Schleifkörper des Schleifwerkzeugs ist vorzugsweise so ausgelegt, dass er wenigstens im Bereich der abrasiven Umfangsfläche Schneidstoffkörner aus kubischem Bornitrid (CBN) oder Diamant in einer keramischen oder metallischen Bindung aufweist. Derartige Schleifkörper zeichnen sich gegenüber andersartigen Schleifkörpern unter anderem durch sehr geringen Verschleiß aus, so dass eine Nachkompensation der Zustellung nicht oder nur in relativ großen Zeitintervallen erforderlich wird. Hierdurch kann einerseits die geometrische Präzision bei der Herstellung unrunder Bohrungsformen erhöht werden, andererseits können die Nebenzeiten für Werkzeugwechsel insgesamt kurz gehalten werden, wodurch ein hochproduktiver Feinbearbeitungsprozess möglich wird.The grinding body of the grinding tool is preferably designed so that it has cutting material grains of cubic boron nitride (CBN) or diamond in a ceramic or metallic bond at least in the region of the abrasive peripheral surface. Such abrasive bodies are distinguished from other types of abrasive bodies, inter alia, by very low wear, so that a subsequent compensation of the delivery is not required or only in relatively large time intervals. In this way, on the one hand, the geometric precision in the production of non-circular bore shapes can be increased, on the other hand, the non-productive times for tool changes can be kept short overall, whereby a highly productive finishing process is possible.
Die Erfindung betrifft auch ein Feinbearbeitungssystem zum Herstellen einer nicht-kreiszylindrischen Bohrung, die wenigstens einen nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt mit einem unrunden Bohrungsquerschnitt und/oder einem axialen Konturverlauf aufweist. Das Feinbearbeitungssystem umfasst eine Werkzeugmaschine, die durch Signale einer Steuereinheit gesteuert werden kann und die eine Hauptspindel aufweist, welche mittels eines ersten Antriebs um eine Hauptspindelachse drehbar und mittels eines zweiten Antriebs parallel zur Hauptspindelachse verschiebbar ist. Das Feinbearbeitungssystem umfasst weiterhin wenigstens eine Schleifwerkzeugeinheit der in dieser Anmeldung beschriebenen Art.The invention also relates to a fine machining system for producing a non-circular-cylindrical bore, which has at least one non-circular-cylindrical bore section with a non-circular bore cross-section and / or an axial contour. The fine machining system comprises a machine tool which can be controlled by signals from a control unit and which has a main spindle which is rotatable about a main spindle axis by means of a first drive and displaceable parallel to the main spindle axis by means of a second drive. The finishing system further comprises at least one grinding tool unit of the type described in this application.
Vorzugsweise umfasst das Feinbearbeitungssystem weiterhin wenigstens ein Honwerkzeug.Preferably, the finishing system further comprises at least one honing tool.
Vorzugsweise ist ein automatisches Werkzeugwechselsystem zum wahlweisen Ankoppeln eines Honwerkzeugs oder einer Schleifwerkzeugeinheit an die Hauptspindel vorgesehen. Dadurch kann das gesamte Feinbearbeitungsverfahren an ein und derselben Werkzeugmaschine ohne Umspannen des Werkstücks ohne Eingriff eines Bedieners vollautomatisiert durchgeführt werden.Preferably, an automatic tool changing system is provided for selectively coupling a honing tool or a grinding tool unit to the main spindle. As a result, the entire fine machining process can be carried out fully automatically on one and the same machine tool without re-clamping the workpiece without the intervention of an operator.
Bei manchen Ausführungsformen umfasst die Werkzeugmaschine ein Zustellsystem zur steuerbaren Verlagerung der Hauptspindel in Richtungen senkrecht zur Hauptspindelachse. Dadurch kann eine Zustellung des Schleifwerkzeugs in Richtung der Bohrungsinnenwand durch radiale Bewegungen der Hauptspindel bewirkt werden. In diesem Fall können einfacher aufgebaute Schleifwerkzeugeinheiten ohne interne Zustellelemente zur Veränderung der Zustellposition der Schleifspindeleinheit verwendet werden. Bei manchen Ausführungsformen ist die Hauptspindel der Werkzeugmaschine in einer Magnetlagereinrichtung magnetisch gelagert. Die Magnetlagereinrichtung kann maschinenfest montiert und die Hauptspindel gegenüber der Magnetlagereinrichtung magnetisch verlagerbar sein. Nutzungsmöglichkeiten des Konzepts wurden bereits oben beschrieben.In some embodiments, the machine tool includes a feed system for controllably displacing the main spindle in directions perpendicular to the main spindle axis. As a result, a delivery of the grinding tool in the direction of the bore inner wall by radial movements of the main spindle can be effected. In this case, simpler grinding tool units without internal feed elements can be used to change the feed position of the grinding spindle unit. In some embodiments, the main spindle of the machine tool is magnetically supported in a magnetic bearing device. The magnetic bearing device can be mounted fixed to the machine and the main spindle relative to the magnetic bearing device to be magnetically displaceable. Possible uses of the concept have already been described above.
Figurenlistelist of figures
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.
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1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer nicht-kreiszylindrische Bohrung, die eine Überlagerung eines unrunden Bohrungsquerschnitts mit einem axialen Konturverlauf aufweist; -
2 zeigt in2A bis2C die Querschnittsformen der Bohrungen in den EbenenI ,II undIII in1 ; -
3 zeigt schematisch Komponenten eines Feinbearbeitungssystems gemäß einer Ausführungsform mit einer an die Hauptspindel angekoppelten Schleifwerkzeugeinheit; -
4 zeigt eine schematische Ansicht einer senkrecht zur Bohrungsachse verlaufenden Ebene der Bohrung zwischen Bohrungseintritt und Bohrungsaustritt bei der Erzeugung eines unrunden Bohrungsquerschnitts durch Schleifen; -
5 zeigt eine andere Ausführungsform einer Schleifwerkzeugeinheit, die starr an das freie Ende einer Hauptspindel angekoppelt ist; -
6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Schleifwerkzeugeinheit, die starr an eine Hauptspindel angekoppelt werden kann; -
7 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Schleifwerkzeugeinheit, die eine aufweitbare Führungsgruppe mit mehreren um den Umfang des Grundkörpers verteilten Führungsleisten aufweist; -
8 zeigt eine Schleifwerkzeugeinheit mit einer Schleifspindeleinheit, die in fester Position im Werkzeug montiert ist.
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1 shows a schematic longitudinal section through an embodiment of a non-circular cylindrical bore, which has a superposition of a non-circular bore cross-section with an axial contour; -
2 shows in2A to2C the cross-sectional shapes of the holes in the planesI .II andIII in1 ; -
3 schematically shows components of a finishing system according to an embodiment with a grinding tool unit coupled to the main spindle; -
4 shows a schematic view of a plane perpendicular to the bore axis of the bore between the bore inlet and hole outlet in the generation of a non-circular bore cross-section by grinding; -
5 shows another embodiment of a grinding tool unit rigidly coupled to the free end of a main spindle; -
6 shows another embodiment of a grinding tool unit that can be rigidly coupled to a main spindle; -
7 shows schematically an embodiment of a grinding tool unit, which has an expandable guide group with a plurality of distributed around the circumference of the body guide rails; -
8th shows a grinding tool unit with a grinding spindle unit, which is mounted in a fixed position in the tool.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele von Feinbearbeitungsverfahren und dazu verwendeten Feinbearbeitungssystemen bzw. Vorrichtungen und Werkzeugen beschrieben, die es erlauben, in einem Werkstück eine nicht-kreiszylindrische Bohrung herzustellen, die wenigstens einen nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt aufweist, der einen unrunden Bohrungsquerschnitt, einen axialen Konturverlauf oder eine Überlagerung eines unrunden Bohrungsquerschnitts mit einem axialen Konturverlauf aufweist.Hereinafter, some embodiments of fine machining methods and the use thereof fine machining systems and tools will be described, which allow to produce in a workpiece a non-circular cylindrical bore having at least one non-circular cylindrical bore portion which has a non-circular bore cross-section, an axial contour or a superposition of a non-circular bore cross-section with an axial contour.
Die Feinbearbeitungsverfahren umfassen eine hier auch als „Formschleifoperation“ bezeichnete Schleifoperation, die dafür ausgelegt ist, einen in Axialrichtung und/oder in Umfangsrichtung der Bohrung ungleichmäßigen Materialabtrag zu erzeugen. Dies kann insbesondere durch eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen erreicht werden: (i) Durch eine individuelle Aussteuerung (Zustellung) eines rotierenden Schleifkörpers (z.B. senkrecht zur Bohrungsachse) in Abhängigkeit von der radialen Position (Winkel-Lage) und der axialen (Bohrungshöhe). (ii) Durch eine Variation der Drehzahl des Schleifkörpers und somit der Materialabtragleistung. (iii) Durch eine Variation der Verweilzeit (Kontaktzeit) an der jeweiligen Stelle, z.B. durch unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeit der Hauptspindel.The finishing processes include a grinding operation, also referred to herein as a "grinding operation," that is configured to produce uneven material removal in the axial and / or circumferential directions of the bore. This can be achieved, in particular, by one or more of the following measures: (i) By an individual control (infeed) of a rotating grinding wheel (for example perpendicular to the bore axis) as a function of the radial position (angular position) and the axial (bore height). (ii) By varying the speed of the grinding wheel and thus the material removal rate. (iii) By varying the residence time (contact time) at the particular site, e.g. by different peripheral speed of the main spindle.
Die
Die hier beispielhaft dargestellte angestrebte Sollform
In unmittelbarer Nähe des Bohrungseintritts, beispielsweise in der Ebene
Mit zunehmendem Abstand zum Bohrungseintritt
Die Sollform der insgesamt nicht-kreiszylindrischen Bohrung ist also in der Nähe des Bohrungseintritts
Die angestrebte Gestalt (Form) der Bohrungsinnenfläche zeigt stetige Veränderungen der Oberflächenform ohne Sprünge oder Kanten mit ineinander übergehenden eindimensional oder zweidimensional gekrümmte Oberflächenabschnitten.The desired shape (shape) of the bore inner surface shows continuous changes of the surface shape without cracks or edges with merging one-dimensionally or two-dimensionally curved surface portions.
Diese komplexe, insgesamt nicht-kreiszylindrische Bohrungsform im kalten Zustand des Werkstücks zeichnet sich dadurch aus, dass sie so berechnet ist, dass sich im Betrieb des Motors, also bei aufgeschraubtem Zylinderkopf und einem bei Betriebstemperatur laufendem Motor, durch ungleichmäßige Verformung eine mehr oder weniger kreiszylindrische Bohrungsform (Betriebsform) ergibt, so dass sich in typischen Betriebszuständen des Motors geringer Blow-by, geringer Ölverbrauch und geringer Verschleiß der Kolbenringe ergeben. This complex, non-circular cylindrical bore shape in the cold state of the workpiece is characterized in that it is calculated so that during operation of the engine, so with screwed cylinder head and running at operating temperature, by uneven deformation a more or less circular cylindrical Bore shape (operating mode) yields, so that in typical operating conditions of the engine low blow-by, low oil consumption and low wear of the piston rings result.
Die Durchmesserunterschiede innerhalb des ersten Bohrungsabschnitts
Zur Herstellung einer derartigen Bohrung mit einem oder mehreren nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitten wird ein Feinbearbeitungssystem mit einer Werkzeugmaschine verwendet.
Die Werkzeugmaschine
Das Werkstück ist im Beispielsfall ein Zylinderkurbelgehäuse eines Vier-Zylinder-Reihenmotors mit vier achsparallelen Zylinderbohrungen. Die als nächstes zu bearbeitende Bohrung
Die schematisch dargestellte Bearbeitungseinheit der Werkzeugmaschine ist an einer auf dem Maschinenbett der Werkzeugmaschine aufgebrachten, nicht näher dargestellten Trägerkonstruktion angebracht. Die Bearbeitungseinheit umfasst eine Hauptspindeleinheit
Bei manchen Ausführungsformen kann der Spindelkasten parallel zur y-Richtung und/oder parallel zur x-Richtung des Maschinenkoordinatensystems gesteuert verlagert werden. Es gibt auch Varianten mit magnetisch gelagerter Hauptspindel, die sich unter anderem dadurch auszeichnen, dass die Hauptspindel in einer Magnetlagereinrichtung des Spindelkastens magnetisch gelagert ist und gegenüber der Magnetlagereinrichtung über Ansteuerung der Lagermagnete in gewissem Ausmaß radial zur Hauptspindelachse
Die in
Zur Durchführung dieser Schleifoperation wird eine Schleifwerkzeugeinheit
Die Schleifwerkzeugeinheit hat einen Grundkörper
Der Grundkörper
Der Schleifkörper
Die Schleifwerkzeugachse
Die Position der Schleifwerkzeugachse
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Schleifspindeleinheit
Mithilfe des Feinbearbeitungssystems kann durch Erzeugen von Arbeitsbewegungen des Schleifwerkzeugs eine Schleifoperation durchgeführt werden, mit der die Form (Gestalt) der Bohrung
Bei der Schleifoperation kann nun die axiale Position des Schleifwerkzeugs in der Bohrung über eine Ansteuerung des zweiten Antriebs
Die lokale Materialabtragrate im lokalen Eingriffsbereich zwischen der Umfangsfläche
Beim Ausführungsbeispiel von
Die Drehzahl des Schleifkörpers kann durch Ansteuerung des Schleifwerkzeug-Antriebs
Die Kontaktzeit zwischen Schleifkörper und Bohrungsinnenfläche kann mithilfe der Antriebe
In der Regel findet gleichzeitig ein Vorschub der Schleifwerkzeugeinheit parallel zur Hauptspindelachse bzw. zur Bohrungsachse
In den nachfolgenden Figuren werden funktionell ähnliche Komponenten oder Einrichtungen aus Gründen der Einfachheit mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in den vorangegangenen Figuren, wobei die Figurennummer jeweils mit „-„ angehängt ist.In the following figures, functionally similar components or devices are denoted by the same reference numerals as in the preceding figures for the sake of simplicity, with the figure number appended with "-", respectively.
Die Schleifwerkzeugeinheit
Es wäre auch möglich, zweistufig vorzugehen, indem zunächst in einer vorgeschalteten Vorbearbeitungsoperation, z.B. durch Feinbohren oder Formhonen, eine rotationssymmetrische Bohrungsform mit axialem Konturverlauf (z.B. Konus oder Kegelstumpf) erzeugt wird und danach nur die gewünschten Ausbeulungen zur Erzeugung eines unrunden Bohrungsquerschnitts mittels der Formschleifoperation an dieser rotationssymmetrischen Ausgansform zu erzeugen.It would also be possible to proceed in two stages by first performing in an upstream pre-processing operation, e.g. by fine boring or forming honing, a rotationally symmetric bore shape with axial contour (e.g., cone or truncated cone) is created, and thereafter only the desired bumps to create a non-round bore cross section by means of the form grinding operation on this rotationally symmetric Ausgansform.
Es gibt Ausführungsformen, bei denen dies die einzige radiale Zustellmöglichkeit für die Schleifspindeleinheit ist. Bei manchen Varianten hat die Schleifspindeleinheit eine magnetgelagerte Spindel, so dass die Welle der Schleifspindeleinheit, die den Schleifkörper trägt, innerhalb ihrer Lagerung noch radial zu ihrer Drehachse verlagert werden kann. Damit ist eine Kombination von Grobzustellung (über Betätigung des Zustellkonus) und Feinzustellung (über elektrische Ansteuerung der magnetisch gelagerten Spindel) möglich.There are embodiments in which this is the only radial feed option for the grinding spindle unit. In some variants, the grinding spindle unit has a magnetically supported spindle, so that the shaft of the grinding spindle unit, which carries the grinding body, can still be displaced within its bearing radially to its axis of rotation. This enables a combination of coarse feed (via actuation of the feed cone) and fine feed (via electrical control of the magnetically supported spindle).
Mithilfe der aufweitbaren Führungsgruppe ist es möglich, dass sich die Schleifwerkzeugeinheit innerhalb der Bohrung gegen die Einwirkung von durch das Schleifen verursachten Querkräften abstützt. Bei Verwendung einer solchen Schleifwerkzeugeinheit kann diese gelenkig an die Hauptspindel angekoppelt sein und es sind keine externen Führungen zur axialen Führung der Auf- und Ab-Bewegung der Schleifwerkzeugeinheit nötig. Die Schleifwerkzeugeinheit
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen von Schleifwerkzeugeinheiten gibt es die Möglichkeit, die Schleifspindeleinheit relativ zum Grundkörper der Schleifwerkzeugeinheit zu verlagern und damit in eine gewünschte radiale Zustellposition zu bringen. Eine solche integrierte Zustellmöglichkeit ist jedoch nicht zwingend.
Eine radiale Zustellung des Schleifkörpers in Richtung senkrecht zur Schleifwerkzeugachse
Sofern der nicht-rotatorische Teil der Hauptspindeleinheit in Radialrichtung gesteuert verlagert werden kann, kann auch eine derartige radiale Verlagerung zur zeitabhängigen Steuerung die Radialposition des Schleifkörpers innerhalb der Bohrung genutzt werden.If the non-rotary part of the main spindle unit can be displaced controlled in the radial direction, also such a radial displacement for time-dependent control, the radial position of the grinding body can be used within the bore.
Die Arbeitsposition des Schleifkörpers relativ zum Werkstück bzw. zur Bohrung könnte auch dadurch verändert werden, dass während der Schleifoperation das Werkstück relativ zu einer stationär gehaltenen Hauptspindel in einer Ebene senkrecht zur Hauptspindelachse gesteuert verlagert wird. Auch Kombinationen von Verlagerungen der Hauptspindel und des Werkstücks in Richtungen senkrecht zur Hauptspindelachse können dazu genutzt werden, die Arbeitsposition des Schleifkörpers relativ zum Werkstück zu steuern.The working position of the grinding wheel relative to the workpiece or bore could also be changed by moving the workpiece relative to a main spindle held stationary in a plane perpendicular to the main spindle axis during the grinding operation. Also, combinations of displacements of the main spindle and the workpiece in directions perpendicular to the main spindle axis may be used to control the working position of the abrasive article relative to the workpiece.
Bei allen Ausführungsbeispielen ist es möglich, die axiale Position des Schleifwerkzeugs in der Bohrung durch Ansteuerung des Hubantriebs der Hauptspindel und die Winkelposition des Schleifwerkzeugs in der Bohrung durch Ansteuerung des Drehantriebs der Werkzeugmaschine zu steuern. Die Zustellung des Schleifkörpers kann über werkzeuginterne Einrichtungen und/oder über maschinenseitige Einrichtungen erfolgen. In jedem Fall kann eine Schleifoperation durchgeführt werden, bei der die lokale Materialabtragrate in einem lokalen Eingriffsbereich zwischen dem Schleifkörper und der Bohrungsinnenfläche durch Variieren eines oder mehrerer Prozessparameter gezielt gesteuert werden kann, um durch einen Schleifprozess die gewünschte Sollform der Bohrung nach Abschluss der Schleifoperation zu erhalten.In all embodiments, it is possible to control the axial position of the grinding tool in the bore by controlling the lifting drive of the main spindle and the angular position of the grinding tool in the bore by driving the rotary drive of the machine tool. The delivery of the grinding wheel can be done via tool-internal facilities and / or machine-side facilities. In either case, a grinding operation may be performed in which the local rate of material removal in a local engagement region between the abrasive article and the bore inner surface may be selectively controlled by varying one or more process parameters to obtain the desired desired shape of the bore upon completion of the grinding operation by a grinding process ,
Die Bohrungsinnenfläche weist nach Abschluss der Formschleifoperation typischerweise Schleifriefen
Daher schließt sich bei der hier beschriebenen Ausführungsformen nach Abschluss der Schleifoperation wenigstens eine weitere Bearbeitungsoperation an, mit deren Hilfe die Innenfläche der Bohrung endbearbeitet wird, um die letztendlich gewünschte Oberflächenstruktur und gegebenenfalls Bohrungsform zu erreichen. In vielen Fällen, insbesondere bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen in Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen von Brennkraftmaschinen oder anderen Hubkolbenmaschinen schließen sich nach der Schleifoperation eine oder mehrere Honoperationen an, die mithilfe geeigneter Honwerkzeuge (mindestens ein Honwerkzeug) durchgeführt werden können.Therefore, in the embodiments described here, after completion of the grinding operation, at least one further machining operation follows, with the aid of which the inner surface of the bore is finished in order to achieve the ultimately desired surface structure and possibly bore shape. In many cases, in particular when machining cylinder running surfaces in cylinder blocks or cylinder liners of internal combustion engines or other reciprocating engines, one or more honing operations follow after the grinding operation, which can be carried out by means of suitable honing tools (at least one honing tool).
Es ist möglich, das Werkstück dazu aus der gezeigten Werkzeugmaschine zu entladen und in eine weitere Werkzeugmaschine nach Art einer Honmaschine zu transportieren. In diesem Fall kann die gezeigte Werkzeugmaschine mit angekoppelter Schleifwerkzeugeinheit speziell auf die Durchführung von Formschleifoperationen ausgelegt sein.It is possible to unload the workpiece from the machine tool shown and to transport in another machine tool in the manner of a honing machine. In this case, the illustrated machine tool coupled to the grinding tool unit may be specially designed to perform form grinding operations.
Bei bevorzugten Ausführungsformen finden jedoch nachgeschaltete Honoperationen (eine oder mehrere) an derselben Werkzeugmaschine statt. Dazu wird nach Abschluss der Schleifoperation die Schleifwerkzeugeinheit von der Hauptspindel abgekoppelt, ein Honwerkzeug wird an die Hauptspindel angekoppelt und mittels des Honwerkzeugs wird mindestens eine Honoperation an der Bohrungsinnenfläche durchgeführt.In preferred embodiments, however, subsequent honing operations (one or more) take place on the same machine tool. For this purpose, after completion of the grinding operation, the grinding tool unit is decoupled from the main spindle, a honing tool is coupled to the main spindle and at least one honing operation is performed on the bore inner surface by means of the honing tool.
Alternativ oder zusätzlich könnte eine Schleifwerkzeugeinheit auch so aufgebaut sein, dass sie eine gesondert zustellbare Schneidgruppe zur Durchführung einer Honoperation aufweist. In diesem Fall wäre ein Werkzeugwechsel für die Durchführung dieser Honoperation nicht erforderlich.Alternatively or additionally, a grinding tool unit could also be constructed so that it has a separately deliverable cutting group for performing a honing operation. In this case a tool change would not be required to carry out this honing operation.
Eine nachgeschaltete Honoperation kann so ausgelegt sein, dass die Form der Bohrung nochmals gezielt verändert und damit die Bohrung in die letztendlich gewünschte Bohrungsform gebracht wird. Eine derartige formverändernde Honoperation weist typischerweise einen wesentlich geringeren Materialabtrag auf als die vorgeschaltete Schleifoperation.A downstream honing operation can be designed so that the shape of the hole again specifically changed and thus the bore is brought into the final desired bore shape. Such a shape-changing honing operation typically has a significantly lower material removal than the preceding grinding operation.
Bei den meisten Varianten des Feinbearbeitungsverfahrens sind nachgeschaltete Honoperationen (eine oder mehrere) jedoch im Wesentlichen dafür vorgesehen, nur die aus dem Schleifen resultierende Oberflächenstruktur zu beseitigen und an der Bohrungsinnenfläche die für den bestimmungsgemäßen Gebrauch gewünschte Oberflächenstruktur (beispielsweise mit Honriefen, die einander unter geeigneten Winkeln überkreuzen) zu erzeugen, ohne die Makroform wesentlich zu verändern. Dabei laufen sie Schneidstoffkörper des Honwerkzeugs der duch Schleifen erzeugten Form mehr oder weniger nach, ohne sie zu verändern.However, in most variants of the finishing process, subsequent honing operations (one or more) are essentially intended to eliminate only the surface structure resulting from the grinding and the surface texture desired for the intended use (for example, with honing marks at suitable angles to each other at the bore inner surface cross over) without significantly changing the macro-shape. In doing so, they more or less follow the cutting material bodies of the honing tool of the shape produced by the grinding without changing them.
Bei einem derartigen „Nachlaufhonen“ können beispielsweise hierfür besonders konzipierte Honwerkzeuge verwendet werden, deren Schneidstoffkörper nur schwach abrasiv sind (feinkörnige Schleifkörper) und/oder deren Schleifkörper elastisch nachgiebig gehalten sind, so dass sie einer vorher durch Schleifen erzeugten Kontur der Bohrung im Wesentlichen nachlaufen können, ohne die Makroform der Bohrung signifikant zu verändern. Zum Nachlaufhonen besonders geeignete Honwerkzeuge sind beispielsweise in der
Insbesondere kann die Nachlaufhon-Operation mithilfe eines Honwerkzeugs durchgeführt werden, das einen Werkzeugkörper aufweist sowie 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. Aufgrund der relativen kurzen axialen Länge der Schneidstoffkörper der Schneidgruppe sind derartige Honwerkzeuge besonders gut zur Verfolgung einer schon existierenden axialen Kontur einer Bohrung geeignet. Die Schneidstoffkörper können elastisch nachgiebig gelagert sein, so dass sie eine Bohrungskontur besonders gut verfolgen können, auch in unrunden Bohrungsabschnitten.In particular, the follow-up honing operation may be performed by means of a honing tool having a tool body and an expandable annular cutting group having a plurality of cutting bodies distributed about the circumference of the tool body whose axial length measured in the axial direction is less than an effective outside diameter of the cutting group with the cutting bodies fully retracted. Due to the relatively short axial length of the cutting material body of the cutting group such Honwerkzeuge are particularly well suited for tracking an existing axial contour of a hole. The cutting material bodies can be elastically yielding, so that they can follow a bore contour particularly well, even in non-circular bore sections.
Die bildlich dargestellten Schleifwerkzeugeinheiten haben jeweils genau eine Schleifspindeleinheit mit einem einzigen Schleifkörper. Es gibt auch Varianten von Schleifwerkzeugeinheiten mit zwei, drei, vier oder mehr individuellen Schleifspindeleinheiten, die vorzugsweise unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Die zugehörigen Schleifkörper können z.B. in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sein, z.B. paarweise diametral gegenüberliegend.Each of the abrasive tool units shown has exactly one grinding spindle unit with a single abrasive wheel. There are also variants of grinding tool units with two, three, four or more individual grinding spindle units, which are preferably independently controllable. The associated grinding wheels may e.g. circumferentially offset from one another, e.g. diametrically opposite in pairs.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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