DE102018211685A1

DE102018211685A1 - Honverfahren und Bearbeitungsmaschine zum Konturhonen

Info

Publication number: DE102018211685A1
Application number: DE102018211685.7A
Authority: DE
Inventors: Ronald Angerbauer; Joachim Weiblen; Florian Kranichsfeld
Original assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Current assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-01-16
Also published as: EP3820646A1; PL3820646T3; ES2992130T3; EP3820646B1; HUE068943T2; WO2020011541A1

Abstract

Bei einem Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mithilfe mindestens einer Honoperation wird während einer Honoperation ein an eine Spindel angekoppeltes, aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung hin und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung gedreht. Dabei wird eine in Bezug auf eine Bohrungsachse rotationssymmetrische, von der Kreiszylinderform abweichende Bohrungsform mit einem axialen Konturverlauf erzeugt. Zur Erzeugung eines axial variierenden Materialabtrags in mindestens einer Hubveränderungsphase wird eine Hublänge und/oder eine Hublage der Hubbewegung verändert. Vor Beginn der Honoperation wird ein axialer Soll-Konturverlauf vorgegeben, der die Abhängigkeit des Soll-Durchmessers von der axialen Position in der zu bearbeitenden Bohrung repräsentiert. Basierend auf dem Soll-Konturverlauf wird ein Hubveränderungsverlauf für die Hubveränderungsphase fest vorgegeben. Während der Hubveränderungsphase wird eine Messung des Ist-Durchmessers der Bohrung zur Ermittlung eines Durchmesser-Messsignals durchgeführt, das den Ist-Durchmesser der Bohrung in einem gemessenen Bohrungsabschnitt repräsentiert, und es wird ein Soll-Ist-Vergleich zwischen dem ermittelten Ist-Durchmesser und einem zugeordneten Soll-Durchmesser zur Ermittlung einer Durchmesserabweichung durchgeführt. Während der Hubveränderungsphase wird mindestens ein den Materialabtrag beeinflussender Honparameter, z.B. die Hubgeschwindigkeit, die Drehzahl, die Zustellgeschwindigkeit und/oder die Zustellkraft, in Abhängigkeit vom Ergebnis des Soll-Ist-Vergleichs variabel gesteuert.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mithilfe mindestens einer Honoperation gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie eine zur Durchführung des Honverfahrens konfigurierte Bearbeitungsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen.
Die Zylinderlaufflächen in Zylinderblöcken (Zylinderkurbelgehäusen) oder Zylinderlaufbuchsen von Brennkraftmaschinen oder anderen Hubkolbenmaschinen sind im Betrieb einer starken tribologischen Beanspruchung ausgesetzt. Daher kommt es bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen darauf an, diese Zylinderlaufflächen so zu bearbeiten, dass später bei allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierung durch einen Schmiermittelfilm gewährleistet ist und der Reibwiderstand zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen möglichst gering gehalten wird.
Die qualitätsbestimmende Endbearbeitung solcher tribologisch 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 hin- und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung gedreht. Zur Aufweitung des Honwerkzeugs werden am Honwerkzeug angebrachte Schneidstoffkörper über ein Zustellsystem mit einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft und/oder Zustellgeschwindigkeit zugestellt und an die zu bearbeitende Innenfläche angedrückt. Beim Honen entsteht in der Regel an der Innenfläche ein für die Honbearbeitung typisches Kreuzschliffmuster mit sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren, die auch als „Honriefen“ bezeichnet werden.
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.
Der Reibungsanteil der Kolbengruppe kann bis zu 35% betragen, so dass eine Reibungsreduzierung in diesem Bereich wünschenswert ist.
Neben der Oberflächenstruktur spielt auch die Form (Makroform, Gestalt) der Bohrung bzw. ihrer Innenfläche eine Rolle.
Die DE 10 2015 203 051 A1 beschreibt ein Honverfahren, mit dem eine in Bezug auf eine Bohrungsachse rotationssymmetrische, von der Kreiszylinderform abweichende Bohrungsform mit einem axialen Konturverlauf erzeugt werden kann. Zur Erzeugung eines axial variierenden Materialabtrags werden in mindestens einer Hubveränderungsphase die Hublänge und/oder die Hublage der Hubbewegung verändert. Bei einer der beschriebenen Varianten wird zur Veränderung der Hublänge und/oder der Hublage während der Hubveränderungsphase die Position eines oberen Umkehrpunktes und/oder die Position eines unteren Umkehrpunkts der Hubbewegung nach Maßgabe einer Voreinstellung verändert. Bei den Verfahren erfolgt eine Steuerung des über die Spindel auf das Honwerkzeug übertragenen Drehmoments in der Weise, dass das Drehmoment während der Hubveränderungsphase im Wesentlichen konstant bleibt. Dadurch können Bohrungen erzeugt werden, die im fertig bearbeiten Zustand einen axialen Konturverlauf haben, die den gewünschten Konturverlauf über die gesamte relevante Bohrungslänge mit ausreichender Präzision aufweisen.
Die DE 10 2015 209 609 A1 beschreibt Honverfahren und Honwerkzeuge zum „Konifizieren“ rotationssymmetrischer, nicht zylindrischer Bohrungen. Unter anderem werden Honverfahren beschrieben, bei denen sich die Hublängen aufeinanderfolgender Doppelhübe durch Veränderung der Lage des oberen Umkehrpunktes inkrementell verändern. Dabei wird bei einer Ausführungsform eine inkrementelle Reduktion der Hublänge bei gleichbleibendem unteren Umkehrpunkt realisiert. Der Honvorgang wird jeweils beendet, sobald der obere Umkehrpunkt einen vorgegebenen Endwert erreicht. Ähnliche Verfahren sind auch in der DE 10 2015 221 714 A1 beschrieben.
Die DE 10 2016 105 717 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer rotationssymmetrischen, nicht-zylindrischen Bohrung mit einem Honwerkzeug. Das Verfahren umfasst die Schritte: Honen der Bohrung mit einem Hub; Erfassen des Ist-Durchmessers der Bohrung während der Honbearbeitung in einem Bereich zwischen den Umkehrpunkten der Honleisten des Honwerkzeugs; Vergleichen des Ist-Durchmessers der Bohrung mit den vorgegebenen Soll-Durchmessern in mindestens einem der Umkehrpunkte; und Beschränken des Hubs auf den oder die Bereiche der Bohrung, in denen der Ist-Durchmesser kleiner als der Soll-Durchmesser ist. Das Verfahren weist somit einen geschlossenen Regelkreis auf, der im Ergebnis dazu führen soll, dass die über die Länge der zu bearbeitenden Bohrung verschiedenen Durchmesser während der Bearbeitung erfasst werden und entsprechend den gemessenen Ist-Werten des Durchmessers der Hub des Honwerkzeugs schrittweise reduziert wird, so dass nur noch die Bereiche der Bohrung bearbeitet werden, bei denen der Ist-Durchmesser der Bohrung noch kleiner ist als der Solldurchmesser. In dem oder den Bereichen der Bohrung, in denen der Ist-Durchmesser der Bohrung gleich dem dort vorgegebenen Soll-Durchmesser ist, findet keine weitere Bearbeitung der Bohrung statt. Dadurch sollen sich verschiedenste nicht zylindrische Mantellinien einfach, prozesssicher und mit höchster Wiederholgenauigkeit herstellen lassen.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Honverfahren der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, das es weitgehend taktzeitgenau bzw. innerhalb einer vorgegebenen Taktzeit erlaubt, an Bohrungen, die im fertig bearbeiten Zustand einen axialen Konturverlauf haben sollen, den gewünschten axialen Konturverlauf über die gesamte relevante Bohrungslänge mit hoher Präzision, insbesondere mit verbesserter Gleichmäßigkeit des Konturverlaufs, zu erzeugen. Es ist eine weitere Aufgabe, eine zur Durchführung des Honverfahrens konfigurierte Bearbeitungsmaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Honverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch eine Bearbeitungsmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 14. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Das Honverfahren gehört zu derjenigen Gattung von Honverfahren, bei denen mithilfe eines in Achsrichtung der Bohrung variierenden Materialabtrags eine zur Bohrungsachse rotationssymmetrische Bohrungsform mit einem axialen Konturverlauf erzeugt wird. Eine solche Bohrungsform ist eine in Bezug auf die Bohrungsachse rotationssymmetrische Bohrungsform, die von einer Kreiszylinderform signifikant abweicht. Bei einer Bohrung mit axialem Konturverlauf gibt es mindestens einen Abschnitt, in welchem der Durchmesser der Bohrung in Axialrichtung kontinuierlich zunimmt oder kontinuierlich abnimmt. Ein typisches Beispiel für eine Bohrungsform mit axialem Konturverlauf ist eine konische Bohrung, bei der der Durchmesser zwischen einer Ebene kleinsten Durchmessers und einer Ebene größten Durchmessers des Abschnitts mehr oder weniger linear zunimmt. Auch in Axialrichtung nicht-lineare Änderungen des Durchmessers sind möglich. Eine Bohrungsform mit axialem Konturverlauf kann auch einen oder mehrere Abschnitte mit Kreiszylinderform aufweisen, also solche Abschnitte, bei denen der nominelle Durchmesser in Axialrichtung nicht variiert.
Zur Erzeugung eines axial variierenden Materialabtrags werden in mindestens einer Hubveränderungsphase die Hublänge und/oder die Hublage der Hubbewegung verändert. Dadurch kann erreicht werden, dass die am Honwerkzeug vorgesehenen Schneidstoffkörper manche axialen Abschnitte insgesamt häufiger durchlaufen bzw. überdecken als andere Axialabschnitte, so dass der durch den Kontakt mit den Schneidstoffkörpern bedingte Materialabtrag in unterschiedlichen axialen Abschnitten primär bzw. im Wesentlichen aufgrund unterschiedlicher Anzahl von Honüberdeckungen unterschiedlich stark ist.
Vor Beginn der Honoperation wird ein axialer Soll-Konturverlauf vorgegeben, der die Abhängigkeit des Soll-Durchmessers von der axialen Position in der zu bearbeitenden Bohrung repräsentiert. Der axiale Soll-Konturverlauf repräsentiert somit die angestrebte Bohrungsform bzw. Bohrungsgestalt nach Abschluss der formverändernden Honoperation. Der Soll-Konturverlauf kann z.B. in Form einer analytischen Formel (zum Beispiel Geradengleichung, Polynom oder Kurvengleichung) oder als Punktefeld vorgegeben werden.
Basierend auf dem Soll-Konturverlauf wird ein Hubveränderungsverlauf für die Hubveränderungsphase fest vorgegeben. Der Hubveränderungsverlauf legt fest, wie sich die Hublänge und/oder die Hublage der Hubbewegung während der Honoperation verändern sollen. Der vorgegebene Hubveränderungsverlauf soll sich während der Honoperation nicht ändern, ist also nach der Festlegung eine unveränderliche bzw. feste Größe.
Ein Hubveränderungsverlauf kann als schrittweise bzw. inkrementelle Veränderung von Hublänge und/oder die Hublage im Laufe der Honoperation beschrieben werden. Zur Definition bzw. Festlegung des Hubveränderungsverlaufs können z.B. sogenannte Hubinkremente fest vorgegeben werden. Ein Hubinkrement repräsentiert die absolute Größe einer Veränderung der axialen Position eines Umkehrpunkts (oberer Umkehrpunkt oder unterer Umkehrpunkt) der Hubbewegung zwischen einem Hub und dem unmittelbar folgenden nächsten Hub in der gleichen Richtung.
Die absoluten Größen aufeinander folgender Hubinkremente sind formatabhängig (abhängig von der angestrebten Bohrungsform) und können von Hub zu Hub gleich bleiben oder variieren. Prinzipiell sind auch Hubinkremente mit Wert Null möglich, die dann bedeuten, dass sich die axiale Lage des betrachteten Umkehrpunkts von einem zum nächsten Hub nicht verändern soll.
Die inkrementellen Veränderungen können nur an oberen Umkehrpunkten oder nur an unteren Umkehrpunkten oder sowohl an oberen als auch an unteren Umkehrpunkten stattfinden. Demensprechend können Hubinkremente für obere und/oder für untere Umkehrpunkte vorgegeben werden. So können z.B. Hubveränderungsverläufe für Bohrungen mit Konusform oder Sanduhrform oder Tonnenform vorgegeben werden.
Der fest vorgegebene Verlauf der Hubveränderungen kann vorab anhand der Konturvorgabe (Soll-Konturverlauf) errechnet werden. Vorzugsweise werden die jeweiligen Hubinkremente nur so groß gewählt, wie erwartungsgemäß innerhalb eines Doppelhubs Material abgetragen werden kann. In Abschnitten mit gewünschtem relativ größerem Materialabtrag werden dementsprechend in der Regel die Hubinkremente kleiner sein als dort, wo ein geringerer Materialabtrag benötigt wird. Verändert sich z.B. die Kontur am aktuellen Hubende stark, so sind tendenziell kleinere Hubveränderungen vorgesehen, ist die Veränderung dagegen klein, werden größere Hubveränderungen eingesetzt. Dies kann am oberen und unteren Umsteuerpunkt jeweils unterschiedlich sein - je nachdem, wie stark sich die Kontur an dieser Stelle jeweils gerade ändert. Somit kann die Hubveränderung z.B. eine feste Funktion der Steigung der Kontur (des Soll-Konturverlaufs) sein, insbesondere der Steigung der Soll-Kontur im oberen bzw. unteren Umsteuerpunkt.
Der Hubveränderungsverlauf kann vom Bediener auf Basis von in Versuchen gewonnenen Erfahrungen durch Eingaben am Bediensystem vorgegeben werden. Es ist auch möglich, dass Daten eingegeben werden, die den axialen Soll-Konturverlauf repräsentieren, wobei dann ein zu dessen Herstellung geeigneter Hubveränderungsverlauf in einer Recheneinheit der Bearbeitungsmaschine errechnet wird. Ein Hubveränderungsverlauf kann z.B. anhand der Steigung der Soll-Kontur und des dafür notwendigen Abtrags berechnet werden. Es ist auch möglich, den Hubveränderungsverlauf. auf Basis einer Simulation zu bestimmen.
Eine Besonderheit des Honverfahrens besteht darin, dass während der Hubveränderungsphase, also während der Phase, in welcher sich die Hublänge und/oder die Hublage der Hubbewegung gemäß der festen Vorgabe allmählich ändert, eine Messung des Ist-Durchmessers der Bohrung durchgeführt wird, um ein Durchmesser-Messsignal zu ermitteln, das den Ist-Durchmesser der Bohrung in einem gemessenen Bohrungsabschnitt repräsentiert, dass weiterhin ein Soll-Ist-Vergleich zwischen dem ermittelten Ist-Durchmesser und einem zugeordneten Soll-Durchmesser zur Ermittlung einer Durchmesserabweichung durchgeführt wird und dass basierend darauf während der Hubveränderungsphase mindestens ein den Materialabtrag beeinflussender Honparameter in Abhängigkeit vom Ergebnis des Soll-Ist-Vergleichs variabel gesteuert wird.
Es wird somit ein geschlossener Regelkreis (Feedback-Steuerung, closed loop control) bereitgestellt, der dazu führt, dass mindestens ein Honparameter, der den Materialabtrag beeinflusst, während der Hubveränderungsphase als geregelte Größe durch die Ergebnisse einer während der Bearbeitung durchgeführten Durchmesser-Messung beeinflusst wird, so dass während des laufenden Honverfahrens über die Durchmesser-Messung automatisch, d.h. insbesondere ohne Eingriff eines Bedieners, Einfluss auf dem Materialabtrag während der Hübe ausgeübt wird. Die Erfassung des für die Regelung genutzten Durchmesser-Messsignals erfolgt nach Maßgabe einer vorgebbaren Messbedingung, z.B. in mindestens einer vorgebbaren Phase einer Hubbewegung oder während der gesamten Hubbewegung. Die Hublänge und die Hublage werden dagegen nach Maßgabe einer Voreinstellung gesteuert (open loop control). Die Hublänge und die Hublage der Hubbewegung sind somit keine geregelten Größen, sondern folgen unabhängig von den Ergebnissen der Durchmesser-Messung der festen Vorgabe.
Bei dieser Verfahrensführung erfolgt somit eine Regelung des hubspezifischen Materialabtrags bei fest vorgegebener Hubveränderung. Der während eines (mit fest vorgegebener Hublänge und Hublage ablaufenden) Hubes erzielbare bzw. erzielte Materialabtrag wird abhängig von der Durchmesser-Messung geregelt.
Der (hubspezifische) Materialabtrag ist ein Längenmaß, das z.B. in Mikrometer (µm) angegeben werden kann und beschreibt, wieviel Material bei dem Hub von der Oberfläche abtragen wird bzw. um wieviel die Oberfläche durch den Hub im Mittel zurückgesetzt wird. Der Materialabtrag wird dabei üblicherweise auf den Durchmesser bezogen. Ein hubspezifischer Materialabtrag entspricht somit z.B. einem Materialabtrag in Mikrometer (µm) pro Hub.
Durch die Regelung der Honoperation kann der am Ende einer Honoperation vorliegende Ist-Konturverlauf unabhängig von Variationen bei den Werkstückeigenschaften und/oder Variationen in den Umgebungsbedingungen und/oder Veränderungen des Schneidverhaltens der Schneidstoffkörper während des Honens systematisch und gleichmäßig über die bearbeitete Länge wesentlich näher bei dem idealerweise gewünschten Soll-Konturverlauf liegen als im Falle einer ausschließlich gesteuerten Konturhonung ohne Feedback durch ein In-Prozess-Messsystem. Das Verfahren wird dadurch den gesteigerten Genauigkeitsanforderungen beim Konturhonen von rotationssymmetrischen Bohrungen mit axialem Konturverlauf systematisch gerecht.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass bei dieser Verfahrensführung die zeitliche Dauer der Hubveränderungsphase (Zeitintervall zwischen Beginn und Ende der Hubveränderungsphase) bei geeigneter Wahl der geregelten Honparameter (einer oder mehrere) nicht so stark von der Regelung abhängig ist wie bei bekannten geregelten Prozessen, in denen die Hublänge und/oder die Hublage als geregelte Größen dienen, bei denen also der Hub geregelt wird. Somit wird eine taktzeitoptimierte automatische Konturregelung möglich. Eine taktzeitoptimierte Honoperation lässt sich besser in komplexere Prozessketten integrieren, die Effizienz der Prozesskette kann dadurch gesteigert werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird der den Materialabtrag beeinflussende Honparameter, welcher als geregelte Größe genutzt werden soll, aus einer bestimmten Honparameter-Gruppe ausgewählt. Die Honparameter-Gruppe hat genau vier „Mitglieder“, nämlich die Hubgeschwindigkeit der Hubbewegung des Honwerkzeugs, die Drehzahl der Drehbewegung des Honwerkzeugs, die Zustellgeschwindigkeit einer Aufweitung einer Schneidgruppe des Honwerkzeugs sowie die Zustellkraft bei einer Aufweitung einer Schneidgruppe des Honwerkzeugs. Die beiden erstgenannten Honparameter, nämlich die Hubgeschwindigkeit und die Drehzahl, beeinflussen primär die für den Materialabtrag bestimmende Schnittgeschwindigkeit und die lokal, also an einem Oberflächenelement der zu bearbeitenden Bohrungsinnenfläche wirksame Eingriffszeit. Durch die Zustellgeschwindigkeit und die Zustellkraft wird in erster Linie der für den Materialabtrag wirksame Schneiddruck bzw. der spezifische Anpressdruck der Schneidkörper (z.B. Honleisten) beeinflusst. Die Honparameter-Gruppe enthält somit ausschließlich Honparameter, die maßgebliche Eingriffsgrößen für den Materialabtrag angeben. Im Vergleich dazu betreffen beispielsweise die Hublänge und die Hublage nicht diese Eingriffsgrößen, sondern es handelt sich dabei um geometrische Parameter, die bestimmen, in welchem Bereich der Bohrungsinnenfläche während eines Hubes überhaupt ein Eingriff zwischen Schneidstoffkörper und Bohrungsinnenfläche stattfinden soll/kann.
Bei vielen Verfahrensführungen kann es vorteilhaft sein, ausschließlich die Hubgeschwindigkeit oder die Hubgeschwindigkeit und wenigstens einen weiteren Honparameter der Honparameter-Gruppe zu regeln bzw. Änderungen zuzulassen. Dies kann insbesondere in der Weise erfolgen, dass bei einer Veränderung der Hubgeschwindigkeit die Hubgeschwindigkeit reduziert wird, wenn der Ist-Durchmesser kleiner als der Soll-Durchmesser ist, und erhöht wird, wenn der Ist-Durchmesser größer als der Soll-Durchmesser ist. Die Hubgeschwindigkeit als zu regelnde Eingriffsgröße hat unter anderem den Vorteil, dass bei typischen Verhältnissen zwischen Hubgeschwindigkeit und Drehzahl bei Honoperationen bei einer Veränderung einer Hubgeschwindigkeit nur geringfügige Änderungen der Schnittgeschwindigkeit und der spezifischen Anpresskraft vorliegen.
Wenn die Drehzahl als zu regelnder Honparameter genutzt werden soll (entweder allein oder in Kombination mit wenigstens einem zweiten Honparameter), dann wird vorzugsweise bei einer Veränderung der Drehzahl die Drehzahl reduziert, wenn der Ist-Durchmesser größer als der Soll-Durchmesser ist, und erhöht, wenn der Ist-Durchmesser kleiner als der Soll-Durchmesser ist. Dies ist insbesondere bei Verfahrensführungen zweckmäßig, bei denen ein wesentlicher Anteil des Materialabtrags über die Drehung des Honwerkzeugs und im Vergleich dazu weniger Beitrag durch die axiale Hubbewegung geleistet wird. Eine Regelung der Drehzahl ist taktzeit-neutral, wirkt sich also nicht im Sinne einer Veränderung der Taktzeit aus.
Wenn die Zustellgeschwindigkeit als zu regelnder Honparameter genutzt werden soll (entweder allein oder in Kombination mit mindestens einem weiteren Honparameter der Honparameter-Gruppe), dann erfolgt die Regelung vorzugsweise derart, dass bei einer Veränderung der Zustellgeschwindigkeit die Zustellgeschwindigkeit erhöht wird, wenn der Ist-Durchmesser kleiner als der Soll-Durchmesser ist, und reduziert wird, wenn der Ist-Durchmesser größer als der Soll-Durchmesser ist. Eine Regelung der Zustellgeschwindigkeit ist taktzeit-neutral, wirkt sich also nicht im Sinne einer Veränderung der Taktzeit aus.
Wird die Zustellkraft als zu regelnder Honparameter genutzt (entweder allein oder in Kombination mit mindestens einem weiteren Honparameter der Honparameter-Gruppe), dann wird in der Regel bei einer Veränderung der Zustellkraft die Zustellkraft erhöht, wenn der Ist-Durchmesser kleiner als der Soll-Durchmesser ist, und reduziert, wenn der Ist-Durchmesser größer als der Soll-Durchmesser ist. Eine Regelung der Zustellkraft ist taktzeit-neutral, wirkt sich also nicht im Sinne einer Veränderung der Taktzeit aus.
Wie schon erwähnt, kann eine Regelung in der Weise erfolgen, dass lediglich einer der Honparameter der Honparameter-Gruppe, beispielsweise nur die Drehzahl, in Abhängigkeit von der Durchmessermessung geregelt wird, wenn alle anderen Honparameter einer Vorgabe folgen. Diese Vorgehensweise kann z.B. bei strukturell einheitlichen Bohrungsumgebungen genutzt werde, wie z.B. bei der Bearbeitung von Zylinderbohrungen, die lokal keine ausgeprägten Schwachstellen, z.B. verursacht durch fehlende oder unterschiedlich starke Anbindung an die Umgebung, haben.
Bei vielen Verfahrensvarianten wird dagegen bei einer Veränderung eines der Honparameter der Honparameter-Gruppe mindestens ein zweiter Honparameter der Honparameter-Gruppe synchron verändert, um eventuelle nachteilige Effekte der Veränderung des ersten Honparameters wenigstens teilweise zu kompensieren.
Bei manchen Ausführungsformen wird bei einer Veränderung eines der Honparameter der Honparameter-Gruppe mindestens ein zweiter Honparameter der Honparameter-Gruppe synchron derart verändert, dass eine durch die Veränderung eines der Honparameter verursachte Veränderung des über die Spindel auf das Honwerkzeug übertragenen Drehmoments mindestens zum Teil kompensiert wird. Der Regelungseingriff kann z.B. so erfolgen, dass das Drehmoment während der Hubveränderungsphase im Wesentlichen konstant bleibt bzw. nur geringfügigen Änderungen unterliegt. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird ein Drehmoment insbesondere dann als „im Wesentlichen konstant“ angesehen, wenn eine Abweichung des über einen Hub gemittelten Drehmoments von einem Drehmoment-Sollwert weniger als 15%, insbesondere weniger als 10% oder weniger als 5% beträgt.
Nur beispielhaft sei hier ein Regeleingriff erläutert, der zu einer Erhöhung der Zustellgeschwindigkeit gegenüber der vorher vorliegenden Zustellgeschwindigkeit führt. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, gleichzeitig auch eine Erhöhung der Drehzahl gegenüber der vorher vorliegenden Drehzahl zu bewirken, um das am Werkstück wirkende Zeitspanvolumen, also ein Abtrag pro Zeiteinheit, zu erhöhen. Dies kann bei einer Erhöhung der Zustellgeschwindigkeit dazu führen, dass am bearbeiteten Werkstück geringere Verformungen verursacht werden als im Falle einer nicht-kompensierten Erhöhung der Zustellgeschwindigkeit, die zu erhöhtem Schneiddruck und damit zu erhöhtem Druck auf das Werkstück bzw. die Bohrungsinnenfläche oder Bohrungswand führen kann.
Vorzugsweise ist die Regelung so programmiert, dass ein Regelungseingriff durch Veränderung eines der Honparameter der Honparameter-Gruppe nur dann erfolgt, wenn die Durchmesserabweichung einen vorgebbaren endlichen Grenzwert, also eine zulässige Regelabweichung, übersteigt. Dadurch kann erreicht werden, dass nur signifikante Abweichungen bzw. ein eindeutiger Trend in Richtung zu immer größeren Sollwertabweichungen zu einem Regeleingriff führen. Auf diese Weise können unnötige Regeleingriffe vermieden werden und die Honoperation wird dadurch stabilisiert.
Bei vielen Bearbeitungsaufgaben, insbesondere auch beim Bearbeiten von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, sind die zu bearbeitenden Werkstücke relativ komplex gestaltet, so dass mechanische Stabilität der unmittelbaren Umgebung der zu bearbeitenden Bohrungsinnenfläche z.B. in Längsrichtung der Bohrung variiert. Beispielsweise kann die Bohrungswandung im Bereich eines Wassermantels relativ dünn und außerhalb des Bereichs des Wassermantels dickwandiger sein. Insbesondere für die Bearbeitung solcher Werkstücke sind Varianten vorteilhaft, die sich durch eine bohrungsspezifische, axial selektive Programmierung der Honoperation auszeichnen, bei der die Bohrung in einen ersten Bohrungsabschnitt und mindestens einen demgegenüber axial versetzten zweiten Bohrungsabschnitt aufgeteilt wird, wobei für den ersten Bohrungsabschnitt und den zweiten Bohrungsabschnitt unterschiedliche Sub-Gruppen von Honparametern der Honparameter-Gruppe als Regelgrößen vorgegeben oder zugelassen werden. Eine „Sub-Gruppe“ kann einen einzigen Honparameter der Honparameter-Gruppe enthalten oder auch mehrere, beispielsweise zwei oder drei. Die Bohrung kann beispielsweise einen relativ stabilen, dickwandigen ersten Bohrungsabschnitt aufweisen, an den sich ein labilerer, zweiter Bohrungsabschnitt im Bereich einer dünneren Bohrungswandung anschließt. Die Honoperation kann dann z.B. so gefahren werden, dass im Bereich des ersten Bohrungsabschnitts primär der Zustelldruck variiert wird, im zweiten Bohrungsabschnitt dagegen die Zustellgeschwindigkeit reduziert und dafür die Hubgeschwindigkeit erhöht wird, um den gewünschten hubspezifischen Materialabtrag zu erzielen. Bei Werkstücken mit mehreren Bohrungen kann die axial selektive Programmierung für alle Bohrungen gleich sein oder von Bohrung zu Bohrung oder von Bohrungsgruppe zu Bohrungsgruppe variieren.
Eine eventuelle synchrone Veränderung wenigstens eines zweiten Honparameters kann auf bestimmte axialen Regionen beschränkt sein, z.B.um labilen Stellen einer Zylinderbohrung entgegenwirken zu können. Liegt z.B. eine fehlende Zylinderanbindung oder eine dünnere Bohrungswand in einer bestimmten Bohrungstiefe vor, so kann in diesem Bereich eine Reduzierung der Zustellgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Hubgeschwindigkeit vorgenommen werden. Nach Überlaufen dieses Bereiches kann ausschließlich eine Regelung von Hubgeschwindigkeit oder Zustellgeschwindigkeit erfolgen. So kann in kritischen Bereichen besonders schonend gehont werden. Dies wäre z.B. auch bei Pleuelfenstern möglich.
Eine besonders präzise Regelung kann bei manchen Ausführungsformen dadurch erreicht werden, dass für jeden Doppelhub eine individuelle Einstellung bzw. Veränderung eines Werts des mindestens einen Honparameters der Honparameter-Gruppe berechnet wird. Somit kann nach jedem Doppelhub für den darauffolgenden Doppelhub neu berechnet werden, ob eine Änderung eines Stellwerts für einen Honparameter vorgenommen werden soll und gegebenenfalls wie die Veränderung umgesetzt werden soll (Erhöhung oder Erniedrigung des vorliegenden Stellwerts).
Vorzugsweise wird bei dem Honverfahren zumindest bei derjenigen Honoperation, die die Hubveränderungsphase enthält, ein Honwerkzeug verwendet, das eine ringförmige Schneidgruppe mit mehreren den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten, radial zustellbaren Schneidstoffkörpern aufweist, wobei die ringförmige Schneidgruppe in Axialrichtung relativ kurz ist. Beispielsweise können Honwerkzeuge verwendet werden, die in der WO 2014/146919 A1 oder der DE 10 2015 203 051 A1 offenbart sind. Der Offenbarungsgehalt dieser Dokumente bezüglich möglicher Konstruktionen des Honwerkzeugs wird insoweit zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht. Bevorzugte Ausgestaltungen geeigneter Honwerkzeuge und Vorteile für diese Art von Honoperationen werden weiter unten in Detail beschrieben.
Die axiale Länge der Schneidstoffkörper sollte vorzugsweise bei weniger als 50 %, insbesondere zwischen 10 % und 30 % des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe liegen. In absoluten Werten ausgedrückt kann die axiale Länge der Schneidstoffkörper beispielsweise im Bereich von 5 mm bis 90 mm liegen, insbesondere im Bereich von 10 mm bis 50 mm. Bezieht man die axiale Länge der Schneidstoffkörper auf die Bohrungslänge, kann es günstig, wenn die axiale Länge bei weniger als 35 % der Bohrungslänge liegt, so dass die Schneidstoffkörper einen axialen Konturverlauf mit hoher Genauigkeit erzeugen können.
Um die In-Prozess/Messung während der Honbearbeitung durchführen zu können, ist vorzugsweise an dem Honwerkzeug mindestens ein Messsensor eines Durchmessers-Messsystems angebracht. Insbesondere können Messdüsen eines pneumatischen Durchmesser-Messsystem am Honwerkzeug angebracht sein. Vorzugsweise sind die Messesensoren im axialen Bereich der Schneidstoffkörper angebracht, beispielweise etwa auf halber Höhe der axialen Länge der Schneidgruppe. Damit ist eine präzise Durchmesser-Messung in unmittelbarer Nähe des Orts des aktuellen Materialabtrags möglich, wodurch für die Regelung des Honprozess sehr präzise aktuelle Durchmesser (Ist-Durchmesserwerte) zur Verfügung stehen, die der zugehörigen axialen Position sehr genau zugeordnet werden können.
Das Honwerkzeug kann mit einfacher Aufweitung oder mit Doppelaufweitung (d.h. mit zwei unabhängig voneinander zustellbaren Untergruppen von Schneidstoffkörpern innerhalb einer ringförmigen Schneidgruppe) ausgestattet sein. Am Honwerkzeug können nicht-schneidende Führungsleisten zur Führung des Honwerkzeugs in der Bohrung vorgesehen sein. Die Führungsleisten können fest am Werkzeugkörper montiert oder separat von den Schneidstoffkörpern zustellbar sein (siehe z.B. DE 10 2014 212 941 A1 ).
Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung des Honverfahrens konfigurierte Bearbeitungsmaschine. Es kann sich dabei um eine spezialisierte Honmaschine oder um eine andere Werkzeugmaschine handeln, die die hier benötigten Funktionalitäten bietet, z.B. um ein Bearbeitungszentrum.
Figurenliste
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.

1 zeigt schematisch Komponenten einer Honmaschine, die im Rahmen verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren verwendet werden kann;
2A und 2B zeigen schematisch Bohrungen mit unterschiedlichen axialen Konturverläufen und daran angepassten Größen von Hubinkrementen zur Festlegung des H u bveränderu ngsverlaufs;
3 bis 7 beschreiben Ausführungsbeispiele für mit der Honmaschine realisierbare Honoperationen anhand von Diagrammen, die die zeitlichen Verläufe relevanter Parameter als Funktion der Honzeit zeigen;
8 zeigt ein Beispiel einer Bohrung mit konischer Soll-Form in einem Werkstück mit in Axialrichtung unterschiedlich dicker Bohrungswandung;
9 zeigt analog zu den 3 bis 7 ein Diagramm, das die zeitlichen Verläufe relevanter Parameter als Funktion der Honzeit bei der Bearbeitung der Bohrung aus 8 zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In 1 sind schematisch einige Komponenten einer Honmaschine 100 gezeigt, die im Rahmen verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren zur Bearbeitung von Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken als Bearbeitungsmaschine eingesetzt werden kann. Die Honmaschine kann so betrieben werden, dass damit einerseits eine oder mehrere herkömmliche Honoperationen an dem Werkstück durchgeführt werden können. Andererseits ist die Honmaschine auch dafür eingerichtet, am gleichen Werkstück auch Honverfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung durchzuführen.
Auf einem nicht näher dargestellten Werkstückträger der Honmaschine ist eine Werkstückhaltevorrichtung 104 montiert, die ein darauf aufgespanntes Werkstück 200 trägt. Bei dem Werkstück handelt es sich im Beispielsfall um einen Motorblock (Zylinderkurbelgehäuse) einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine. In dem Motorblock sind mehrere Bohrungen 210 mit generell vertikaler Ausrichtung ihrer Bohrungsachsen gebildet. Die Bohrungen werden auch als Zylinderbohrungen bezeichnet, auch wenn ihre Bohrungsform von der Form eines idealen Kreiszylinders signifikant abweicht. Bei dem hier beschriebenen Honverfahren wird mittels Honen eine in Bezug auf eine Bohrungsachse 212 rotationssymmetrische, von der Kreiszylinderform abweichende Bohrungsform mit einem axialen Konturverlauf erzeugt. Der Begriff „axialer Konturverlauf“ bedeutet hier insbesondere, dass die Bohrung in unterschiedlichen axialen Positionen unterschiedliche Durchmesser hat. Die durch die Innenflächen 214 der Zylinderbohrungen gebildeten Zylinderlaufflächen werden mithilfe der Honmaschine einer qualitätsbestimmten Endbearbeitung unterzogen, wobei sowohl die Makroform der Zylinderlaufflächen (also die makroskopische Gestalt der Bohrung) als auch deren Oberflächentopographie durch geeignete Honoperationen erzeugt werden.
Die Soll-Form der Bohrung ist in Bezug auf ihre Bohrungsachse 212 rotationssymmetrisch und erstreckt sich über eine Bohrungslänge L von einem im Einbauzustand dem Zylinderkopf zugewandten Bohrungseintritt 214 bis zum Bohrungsaustritt 216 an gegenüberliegenden Ende. Die Bohrung soll im fertig gehonten Zustand eine im Wesentlichen konische bzw. kegelstumpfförmige Gestalt haben. 1 zeigt die Bohrung in einer Zwischenphase der Honbearbeitung, in welcher ein oberer Abschnitt OA bereits konisch gehont ist, der untere Abschnitt UA jedoch noch die kreiszylindrische Ausgangsform aufweist, die zu Beginn der Hubveränderungsphase vorlag.
Der Soll-Konturverlauf 215 der Bohrung ist im unteren, noch nicht bearbeiteten Abschnitt der Bohrung 210 mit gestrichelter Linie erkennbar. Der Soll-Durchmesser nimmt vom Bohrungseintritt zum Bohrungsende hin kontinuierlich linear zu. Der Konuswinkel (Winkel zwischen der Bohrungsachse und einer in einer Axialebene verlaufenden Mantellinie der Bohrung) kann z.B. im Bereich von weniger als 5° liegen, auch bei weniger als 1°, ggf. auch bei 0.2° oder darunter.
Der Durchmesserunterschied zwischen dem ersten Durchmesser D1 am Bohrungseintritt und dem zweiten Durchmesser D2 am eintrittsferneren Ende liegt deutlich außerhalb der für die konventionelle zylindrische Honbearbeitung typischen Toleranzen, die für eine Zylinderform in der Größenordnung von maximal 15 µm (bezogen auf den Durchmesser) liegen. Bei einem Absolutwert des Innendurchmessers in der Größenordnung zwischen 50 mm und 500 mm (letzteres z.B. bei Schiffsmotoren) kann der maximale Durchmesserunterschied beispielsweise zwischen 20 µm und 500 µm liegen.
Die Dimensionen können so optimiert sein, dass sich in typischen Betriebszuständen des Motors geringer Blow-by, geringer Ölverbrauch und geringer Verschleiß der Kolbenringe ergeben.
Die Honmaschine 100 weist mehrere Honeinheiten auf. In 1 sind einige Komponenten einer Honeinheit 110 schematisch dargestellt. Die Honeinheit umfasst einen an einer Trägerkonstruktion der Honmaschine befestigten Spindelkasten 120, in dem die als Werkzeugspindel der Bearbeitungsmaschine dienende Honspindel 140 drehbar gelagert ist. Die Honspindel lässt sich mithilfe eines am Spindelkasten befestigten Spindelantriebs um ihre Längsachse (Spindelachse) 142 drehen. Der Spindelantrieb weist einen Servomotor auf, der unter anderem bezüglich seiner Drehzahl und des erzeugten Drehmoments steuerbar ist.
Am unteren Ende der Honspindel ist eine Gelenkstange oder eine andere Antriebsstange (z.B. eine Schwimmkopfstange) angebracht, an deren unteres, freies Ende das als Bearbeitungswerkzeug dienende Honwerkzeug 150 begrenzt beweglich mechanisch angekoppelt ist, zum Beispiel über eine Bajonettverbindung. Das Honwerkzeug kann ein integriertes Gelenk aufweisen, um eine begrenzte Beweglichkeit gegenüber der Gelenkstange zu ermöglichen.
Das Honwerkzeug ist besonders gut zur Bearbeitung von rotationssymmetrischen Bohrungen geeignet, die Bohrungsabschnitte unterschiedlicher Durchmesser und/oder unterschiedlicher Gestalt haben, beispielsweise flaschenförmigen Bohrungen, tonnenförmigen Bohrungen und/oder Bohrungen, die mindestens einen konusförmigen Bohrungsabschnitt mit axial kontinuierlich veränderlichem Durchmesser aufweisen. Das Honwerkzeug kann jedoch auch zur Bearbeitung von kreiszylindrischen Bohrungen, also rotationssymmetrischen Bohrungen ohne axialen Konturverlauf, genutzt werden.
Das Honwerkzeug hat einen aus einem Stahlwerkstoff gefertigten Werkzeugkörper 152, der eine Werkzeugachse definiert, die gleichzeitig die Rotationsachse des Honwerkzeugs während der Honbearbeitung ist. Am spindelseitigen Ende des Honwerkzeugs befindet sich eine Kupplungsstruktur zum Ankoppeln des Honwerkzeugs an eine Antriebsstange oder eine Arbeitsspindel einer Honmaschine.
Bei Ausführungsbeispielen zur Verwendung an der Arbeitsspindel eines Bearbeitungszentrums kann z.B. eine Kupplungsstruktur nach Art eines Hohlschaftkegels oder eines anderen Kegels vorgesehen sein.
An dem der Spindel abgewandten Endabschnitt des Werkzeugkörpers befindet sich eine einzige aufweitbare ringförmige Schneidgruppe 155 mit einer Vielzahl von um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern 156, deren in Axialrichtung gemessene axiale Länge um ein Mehrfaches kleiner ist als der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe 155 bei vollständig in Radialrichtung zurückgezogenen Schneidstoffkörpern. Die Schneidstoffkörper sind als in Umfangsrichtung schmale Schneidstoffleisten ausgebildet, deren in Umfangsrichtung gemessene Breite klein gegenüber der axialen Länge der Schneidstoffleisten ist. Ein Aspektverhältnis zwischen Länge und Breite kann beispielsweise im Bereich von 4:1 bis 20:1 liegen.
Das Honwerkzeug hat nur eine einzige ringförmige Schneidgruppe 135. Diese kann mehr oder weniger bündig mit dem spindelfernen Ende des Werkzeugkörpers angeordnet sein, so dass ggf. auch Sacklochbohrungen bis zum Bohrungsgrund bearbeitet werden können.
Die Schneidgruppe ist bzw. die Schneidstoffkörper der Schneidgruppe sind mittels eines der Schneidgruppe zugeordneten Zustellsystems radial zur Werkzeugachse zustellbar. Da diese für Honwerkzeuge typische Funktionalität an sich bekannt ist, werden die hierfür vorgesehenen Komponenten (beispielsweise Zustellstange(n), Zustellkonus bzw. Aufweitkonus etc.) hier nicht näher beschrieben.
Das Honwerkzeug kann mit einfacher Aufweitung oder Doppelaufweitung ausgestattet sein. Bei einer einfachen Aufweitung werden alle Schneidstoffkörper der Schneidgruppe gemeinsam radial zugestellt. Im Falle der Doppelaufweitung hat die Schneidgruppe zwei Untergruppen von Schneidstoffkörpern, die separat voneinander zugestellt werden können. Die Schneidstoffkörper der Untergruppen können z.B. unterschiedlich feine oder grobe Körnung aufweisen, so dass z.B. nach einer Vorhonoperation mittels einer ersten Untergruppe gröberer Schneidstoffkörper ohne Werkzeugwechsel eine Fertighonstufe mit den Schneidstoffkörpern der zweiten Untergruppe durchgeführt werden kann.
Die aufweitbare ringförmige Schneidgruppe 155 der Ausführungsform umfasst mehrere radial zustellbare Schneidstoffkörper-Träger 158, die jeweils einen Umfangswinkelbereich abdecken, der größer ist als die axiale Länge der Schneidstoffkörper bzw. der Schneidgruppe. Im Beispielsfall von 1 sind sechs Schneidstoffkörper-Träger vorgesehen, die jeweils einen Umfangswinkelbereich von zwischen 45° und 60° abdecken und gleichmäßig über den Umfang des Honwerkzeugs angeordnet sind. Jeder der Schneidstoffkörper-Träger trägt zwei, drei, vier oder mehr einzelne Schneidstoffkörper 156 in Form relativ schmaler Honleisten.
Zwischen unmittelbar benachbarten Schneidstoffkörper-Trägern können jeweils nicht-schneidende Führungsleisten (nicht gezeigt) etc. am Werkzeugkörper befestigt sein.
Die Schneidstoffkörper-Träger 158 sind im Beispielsfall einstückig aus einem Stahlwerkstoff hergestellt und daher in sich im Wesentlichen starr. Jeder Schneidstoffkörper-Träger hat einen in Umfangsrichtung relativ breiten Trägerabschnitt mit einer zylindrisch gekrümmten Außenseite und einer dem Werkzeugkörper zugewandten, im Wesentlichen ebenen Innenseite, an der ein plattenförmiger Zustellabschnitt nach innen ragt. An der der Außenseite abgewandten Innenseite des Zustellabschnitts befindet sich eine Schrägfläche, die mit einer korrespondierenden Schrägfläche eines axial verschiebbaren Zustellkonus nach Art eines Keilantriebs zusammenwirkt, so dass eine axiale Bewegung der Zustellstange im Innern des Werkzeugkörpers zu einer radialen Bewegung des Schneidstoffkörper-Trägers führt. Der Zustellabschnitt des Schneidstoffkörper-Trägers sitzt radial beweglich in einer im Wesentlichen rechteckförmigen Aussparung des Werkzeugkörpers, so dass eine Radialbewegung möglich, aber Kippbewegungen in Querrichtung und Längsrichtung dazu weitgehend vermieden werden. Die Schneidstoffkörper-Träger werden mithilfe mehrerer umlaufender Spiralfedern in die nach innen zurückgezogene Position vorgespannt, so dass die radiale Zustellung nach außen gegen die Kraft dieser Rückstellfedern erfolgt.
Es gibt Ausführungsbeispiele, bei denen sämtliche Schneidstoffkörper-Träger bzw. sämtliche Schneidstoffkörper des Honwerkzeugs mit einer einzigen gemeinsamen Zustellung radial zugestellt werden können (Honwerkzeuge mit einfacher Aufweitung).
Beim Ausführungsbeispiel des Honwerkzeugs 150 in 1 handelt es sich um ein Honwerkzeug mit Doppelaufweitung. Die ringförmige Schneidgruppe 155 hat zwei unabhängig voneinander zustellbare Gruppen von Schneidstoffkörper-Trägern, wobei die drei Schneidstoffkörper-Träger einer Gruppe jeweils um 120° gegeneinander umfangsversetzt sind, so dass zwischen zwei benachbarten Schneidstoffkörper-Trägern einer der Gruppen ein Schneidstoffkörper-Träger der anderen Gruppe angeordnet ist. Andere gleichmäßige oder ungleichmäßige Aufteilungen sind möglich, z.B. mit vier Schneidstoffkörper-Trägern in einer ersten und zwei Schneidstoffkörper-Trägern in einer zweiten Gruppe oder mit vier Schneidstoffkörper-Trägern in einer ersten und vier Schneidstoffkörper-Trägern in einer zweiten Gruppe.
Ein Hubantrieb 160 der Honmaschine ist dafür vorgesehen, Vertikalbewegungen der Honspindel parallel zur Spindelachse 142 zu verursachen. Der Hubantrieb bewirkt beispielsweise die Vertikalbewegung der Honspindel beim Einführen des Honwerkzeugs in das Werkstück bzw. beim Herausziehen aus dem Werkstück. Während der Honbearbeitung wird der Hubantrieb so angesteuert, dass das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung 210 des Werkstücks eine oszillierende Hubbewegung, also eine Hin- und Her-Bewegung im Wesentlichen parallel zur Spindelachse ausführt.
Die Hubbewegung kann durch unterschiedliche Parameter charakterisiert werden. Die „Hublänge“ entspricht dabei dem axialen Abstand zwischen einem oberen Umsteuerpunkt UO und einem unteren Umsteuerpunkt UU der Hubbewegung (vgl. 3). Der obere Umsteuerpunkt ist dabei derjenige Umsteuerpunkt, der dem Bohrungseintritt näher ist, der untere Umsteuerpunkt ist der eintrittsferne Umsteuerpunkt. Die Hubbewegung kann auch durch die „Hublage“ charakterisiert werden. Der Begriff „Hublage“ bezeichnet hierbei den Bereich zwischen dem oberen Umsteuerpunkt einer Hubbewegung (in der Nähe des Bohrungseintritts) und dem unteren Umsteuerpunkt der Hubbewegung (näher am eintrittsfernen Ende der Bohrung) bezogen auf ein maschinenfestes Koordinatensystem. Jede axiale Verlagerung wenigstens eines der Umsteuerpunkte ändert somit die Hublage. In der Regel wird auch die Hublänge geändert, zum Beispiel wenn die axiale Position eines der Umsteuerpunkte unverändert bleibt und nur die axiale Position des anderen Umsteuerpunkts verändert wird.
Die Honmaschine ist mit einem Zustellsystem ausgestattet, das es erlaubt, den wirksamen Durchmesser des Honwerkzeugs (also den Außendurchmesser der Schneidgruppe) durch Zustellung von am Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörpern 156 in Radialrichtung zu verändern. Das Zustellsystem kann daher auch als Aufweitsystem bezeichnet werden. Diese Aufweitung kann beispielsweise mittels eines Servomotors - kraftgesteuert oder weggesteuert - realisiert werden. Es ist auch eine hydraulische Zustellung möglich. Es kann ein Zustellsystem mit einfacher Zustellung oder mit Doppelzustellung vorgesehen sein. Da solche Zustellsysteme an sich bekannt sind, wird hier auf eine eingehende Beschreibung verzichtet.
Die Honmaschine 100 ist mit einem Durchmesser-Messsystem 170 zur Messung des Ist-Durchmessers der Bohrung in vorgebbaren Messebenen oder Messzonen während der Honbearbeitung (In-Prozess-Messung) ausgestattet. Am Honwerkzeug 150 sind dazu Messsensoren des Durchmesser-Messsystems angebracht. Im Beispielsfall ist das Durchmesser-Messsystem als pneumatisches Durchmesser-Messsystem (Luftmesssystem) ausgelegt. Entsprechend weist das Honwerkzeug an zwei diametral einander gegenüberliegenden Positionen zwischen benachbarten Schneidstoffkörpern jeweils eine Messdüse 172-1, 172-2 des Durchmesser-Messsystems auf. Aufgrund der Anordnung der Messdüsen im axialen Bereich der Schneidstoffkörper, zum Beispiel auf halber Höhe mittig in der schmalen Zone des mit Schneidstoffkörpern besetzten Rings, ist eine sehr exakte Durchmessermessung des gerade bearbeiteten Bohrungsabschnitts möglich.
Das Durchmesser-Messsystem kann nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip arbeiten. Dabei wird für die Messung Druckluft aus den Messdüsen in Richtung Bohrungswandung bzw. Innenfläche 214 geblasen. Der sich ergebende Staudruck im Bereich der Messdüsen kann als Maß für den Abstand der Messdüse zur Bohrungswandung dienen. Ein mit der Messdüse über eine Druckleitung verbundener Messwandler sorgt für die Umwandlung des (pneumatischen) Drucksignals in ein elektrisch weiter verarbeitbares Spannungssignal, das hier als Durchmesser-Messsignal bezeichnet wird. Anstelle des Staudrucks kann auch der Volumenstrom der Druckluft zur Auswertung genutzt werden. Auch nach anderen Prinzipien arbeitende Durchmesser-Messsysteme, beispielsweise kapazitive Messsysteme oder induktive Messsysteme oder Messsysteme mit Radar-Sensoren (vgl. zum Beispiel DE 10 2010 011 470 A1 ) sind grundsätzlich verwendbar.
Der Spindelantrieb, der Hubantrieb, der mindestens eine Antrieb des Zustellsystems sowie der Wandler des Durchmesser-Messsystems sind an eine Steuereinrichtung 180 angeschlossen, die ein funktionaler Bestandteil der Maschinensteuerung ist und über eine Bedieneinrichtung 190 bedient werden kann. Über die Bedieneinrichtung können von einem Maschinenbediener zahlreiche zur Definition des Honprozesses erforderliche Prozessparameter eingestellt werden, unter anderem: Lage des oberen Umsteuerpunkts und des unteren Umsteuerpunkts von Hubbewegungen. Dadurch sind die Hublänge und die Hublage definierbar. Hubintervalle und Hubinkremente. Dadurch sind zeitlich veränderliche Hübe programmierbar. Drehzahl, Drehzahlinkrement, minimale Drehzahl und maximale Drehzahl eines Drehzahl-Fensters. Zustellgeschwindigkeit, Zustellgeschwindigkeits-Inkrement, minimale und maximale Zustellgeschwindigkeit, Hubgeschwindigkeit, Hubgeschwindigkeitsinkrement, minimale Hubgeschwindigkeit und maximale Hubgeschwindigkeit eines Hubgeschwindigkeits-Fensters.. Beginn einer Honphase, Beginn einer oder mehrerer weiterer Honphasen. Weiterhin kann der vorzugebende Hubveränderungsverlauf eingegeben werden, z.B. durch Stützpunkte entlang des Soll-Konturverlaufs oder auf Basis einer Berechnung. Außerdem können diejenigen Honparameter (einer oder mehrere) gewählt werden, die als geregelter Parameter dienen sollen (Auswahl aus Hubgeschwindigkeit, Zustellgeschwindigkeit, Zustellkraft, Drehzahl).
Die Honmaschine kann zur Erzeugung eines bestimmten axialen Konturverlaufs an der Bohrung so programmiert werden, dass in mindestens einer Hubveränderungsphase über eine gezielte Veränderung der Hublänge und/oder der Hublage des Honwerkzeugs gezielt ein axial variierender Materialabtrag erzeugt werden kann, um auf diese Weise mit hoher Genauigkeit Vorgaben hinsichtlich des axialen Konturverlaufs zu erreichen.
Unter anderem kann vor Beginn der Honoperation ein axialer Soll-Konturverlauf vorgegeben werden, der die Abhängigkeit des Soll-Durchmessers von der axialen Position in der zu bearbeitenden Bohrung repräsentiert. Die Vorgabe des Soll-Konturverlaufs kann beispielsweise durch die Definition der Soll-Kontur als analytische Formel (zum Beispiel Geradengleichung oder Kurvengleichung) oder als Punktefeld (zur Generierung von Freiformkurven) erfolgen.
Die 2A zeigt ein Beispiel für eine durchgehend konische Bohrung 210, bei der der axiale Soll-Konturverlauf 215 durch eine Geradengleichung für eine Mantellinie mit definierter Orientierung zur Bohrungsachse 212 beschrieben werden kann. Die 2B zeigt ein Beispiel einer annähernd flaschenförmigen Bohrung 210, bei der sich die Steigung ST des axialen Soll-Konturverlaufs (z.B. gegeben durch den Winkel zwischen der Bohrungsachse und Tangente an die Mantellinie) mit der axialen Position ändert. In einem mittleren Bereich MB ist die Steigung größer als an den Bereichen näher bei den Bohrungsenden.
Basierend auf dem angestrebten Soll-Konturverlauf wird dann ein Hubveränderungsverlauf für die Hubveränderungsphase der Honoperation fest vorgegeben. Der Hubveränderungsverlauf legt fest, wie sich die Hublänge und/oder die Hublage der Hubbewegung des Honwerkzeugs während der Honoperation verändern sollen. Bei den Beispielen der 2A und 2B werden zur Definition bzw. Festlegung des Hubveränderungsverlaufs sogenannte Hubinkremente INK zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Hüben fest vorgegeben. Die Hubverlagerung während der Honoperation wird dann über die fest vorgegebenen Hubinkremente gesteuert. Im Beispielsfall repräsentieren die Hubinkremente INK die absolute Größe einer Veränderung der axialen Position eines Umkehrpunkts (im Beispielsfall des oberen Umkehrpunkts) der Hubbewegung zwischen einem Hub und dem jeweils unmittelbar darauffolgenden Hub in der gleichen Richtung.
Bei der Programmierung von 2A wird der Hubveränderungsverlauf in der Weise vorgegeben, dass zwischen aufeinanderfolgenden Hüben jeweils Hubinkremente INK der gleichen absoluten Größe liegen, so dass die schrittweise Abnahme der Lage des oberen Umkehrpunkts während der gesamten Hubveränderungsphase in gleich großen Schritten erfolgt. Dies ist jedoch nicht zwingend.
2B illustriert eine Variante, bei der zwischen manchen aufeinanderfolgenden Hüben unterschiedlich große Hubinkremente INK liegen, so dass die dadurch definierten Stützpunkte STP entlang der axialen Sollkontur in Axialrichtung ungleichmäßig verteilt sind. Dies kann wie folgt verstanden werden. Vorzugsweise werden die jeweiligen Hubinkremente nur so groß gewählt, wie erwartungsgemäß innerhalb eines Doppelhubs Material abgetragen werden kann. Im mittleren Bereich MB soll eine stärkere Steigung der Kontur erzeugt werden als näher an den Bohrungsenden, was im mittleren Bereich einen entsprechend größeren Materialabtrag erfordert. Daher sind dort die Hubinkremente kleiner als dort, wo ein geringerer Materialabtrag benötigt wird. Die Hubveränderung bzw. die Größe der Hubinkremente kann als eine feste Funktion der Steigung der Kontur (des Soll-Konturverlaufs) sein.
Ungleichmäßig verteilte Stützpunkte können insbesondere bei nichtlinearen axialen Konturverläufen zweckmäßig sein, also solchen Konturverläufen, die nicht durch eine einfache Geradengleichung beschrieben werden können, beispielsweise zur Erzeugung einer Bohrung mit Flaschenform oder einer Bohrung mit einem zylindrischen und einem konischen Abschnitt oder zur Erzeugung einer Bohrung mit Tonnenform oder mit einer taillierten Form (SanduhrForm).
Sind diese vorbereitenden Programmierarbeiten abgeschlossen, so kann die Honbearbeitung beginnen.
Im Folgenden werden Verfahrensvarianten beschrieben, bei denen zur Erzeugung eines axial variierenden Materialabtrags an der Bohrungsinnenwand in einer Hubveränderungsphase die Hublänge und/oder die Hublage der Hubbewegung nach einem bestimmten fest vorgegebenen Schema verändert werden.
Bei allen hier dokumentierten Honoperationen wird ausgegangen von einer kreiszylindrischen Bohrungsform, die vorab z.B. durch Langhubhonen mit relativ langen Honleisten erzeugt werden kann.
Die nachfolgend erläuterten Diagramme der 3 bis 7 beschreiben einige Ausführungsbeispiele für mit der Honmaschine realisierbaren Honoperationen.
In den Diagrammen ist auf der x-Achse die Honzeit t_H (in Sekunden) einer Honoperation aufgetragen. Auf der y-Achse sind jeweils in gemeinsamer Auftragung mehrere die Honoperation charakterisierende Parameter aufgetragen. Dazu gehören: die Hubposition HP des Honwerkzeugs, die Zustellposition ZP (bzw. Aufweitposition) der jeweils zugestellten Schneidgruppe, die Hubgeschwindigkeit VH der Spindel; die Drehzahl DZ der Spindel, die Zustellgeschwindigkeit bzw. Aufweitgeschwindigkeit VZ oder die Zustellkraft bzw. Aufweitkraft FZ der jeweils zugestellten Schneidgruppe. Ausgewählte Honparameter sind in nachfolgenden Diagrammen zusammen mit den Verläufen des Sollwerts DSW des Durchmessers der Bohrung und des mittels Durchmessermessung ermittelten Istwerts DIW des Durchmessers in geeigneten Kombinationen dargestellt. Der Sollwert DSW repräsentiert dabei den angestrebten axialen Konturverlauf.
Bei dem Ausführungsbeispiel einer Honoperation in 3 ist der vorprogrammierte Hubveränderungsverlauf anhand der Kurve HP für die Hubposition gut zu erkennen. Die Hubsteuerung wird so eingestellt, dass das Honwerkzeug nach dem Einfahren des Honwerkzeugs in die Bohrung in einer ersten Honphase PH1 die Bohrung über ihre gesamte Länge über fünf aufeinanderfolgende Doppelhübe bearbeitet. In dieser Phase bleibt die Kreiszylinderform der Ausgangsbohrung im Wesentlichen erhalten, wobei die Formgenauigkeit ggf. erhöht wird. Die darauffolgende zweite Honphase PH2 ist die Hubveränderungsphase, in welcher sich die Hublage des Honwerkzeugs von Hub zu Hub ändert. Im Beispielsfall von 3 bleibt die axiale Position des unteren Umsteuerpunkts UU konstant, während die axiale Position des oberen Umsteuerpunkts UO durch die Steuerung inkrementell mit vorgegebenem Hubinkrement in Richtung des unteren Umsteuerpunkts verändert wird. Auf diese Weise wird der eintrittsfernere Abschnitt tendenziell mit mehr Hüben bearbeitet als der eintrittsnähere Abschnitt.
In einer daran anschließenden dritten Honphase PH3 wird mit der zweiten Aufweitung des doppelt-aufweitenden Honwerkzeugs gearbeitet, um die Oberflächenstruktur der Bohrung zu optimieren, ohne den axialen Konturverlauf dabei zu verändern. Derartige Honoperationen, bei denen die Schneidstoffkörper der Kontur der Bohrung möglichst gut nachlaufen sollen, ohne die makroskopische Gestalt der Bohrung zu verändern, werden hier auch als „Nachlaufhonen“ bezeichnet. Es kann z.B. die Endoberfläche mittels einer Glatthonung geglättet werden oder eine Honstruktur mit bestimmten Honwinkel und bestimmter Basisoberfläche durch Strukturhonen erzeugt werden. Im Fall der Strukturhonung kann noch mindestens eine Honoperation folgen, z.B. ein Plateauhonen oder ein Entgrathonen, ggf. zusätzlich auch eine Entschuppen. Diese zusätzlichen Operationen „fahren“ der erzeugten Form nach, ohne diese zu beeinträchtigen. Lediglich der Durchmesser kann leicht vergrößert werden, es findet also noch ein gewisser gleichmäßiger Materialabtrag über die gesamte Bohrung statt. Die Schneidstoffkörper der Schneidgruppe für die zweite Aufweitung können individuell flexibel bzw. nachgiebig gelagert sein, um sich besonders gut an die in Axialrichtung der Bohrung sich ändernde Neigungen der Bohrungsinnenfläche anzupassen.
Der dargestellte Honprozess ist weiterhin so programmiert, dass innerhalb der ersten Honphase PH1 und innerhalb der zweiten Honphase PH2 (Hubveränderungsphase) jeweils mit konstanter Zustellgeschwindigkeit gefahren wird, so dass sich die Zustellposition ZP (bzw. Aufweitposition) innerhalb dieser Phasen jeweils linear vergrößert. Dabei ändert sich die Zustellposition in der ersten Honphase langsamer als in der zweiten Honphase PH2, in welcher die konische Form durch Honen erzeugt werden soll.
Während der gesamten Honoperation ist das Durchmesser-Messsystem der Honmaschine aktiv, so dass während allen Honphasen Messungen des Ist-Durchmessers der Bohrung durchgeführt werden können, um Durchmesser-Messsignale zu ermitteln, die den Ist-Durchmesser der Bohrung in dem jeweils gemessenen Bohrungsabschnitt repräsentieren. Die Kurve DIW repräsentiert die Ist-Werte der Durchmessermessung. Die Kurve DSW repräsentiert dagegen die zugehörigen Sollwerte des Durchmessers, die sich aus dem angestrebten Soll-Konturverlauf ergeben. Es ist erkennbar, dass sich während der Hubveränderungsphase Durchmesserabweichungen in beide Richtungen ergeben können. Diese Durchmesserabweichungen werden durch einen Soll-Ist-Vergleich zwischen dem ermittelten Ist-Durchmesser und einem zugeordneten Soll-Durchmesser in einer Recheneinheit der Steuerung ermittelt.
Bei dem exemplarischen Honprozess der 3 wird die Hubgeschwindigkeit VH des Honwerkzeugs während der Hubveränderungsphase als zu regelnde Größe bzw. zu regelnder Honparameter genutzt. Aus der Kurve VH ist ersichtlich, dass die Hubgeschwindigkeit während der ersten Honphase PH1 konstant bleibt, während sie während der Hubveränderungsphase (zweite Honphase PH2) sowohl Phasen mit zunehmender Hubgeschwindigkeit als auch Phasen mit abnehmender Hubgeschwindigkeit aufweist. Die Regelung ist so konfiguriert, dass die Hubgeschwindigkeit gegenüber der vorhergehenden Hubgeschwindigkeit verringert wird, wenn der Ist-Durchmesser um einen vorbestimmten Wert kleiner als der Soll-Durchmesser wird. Umgekehrt wird die Hubgeschwindigkeit erhöht, wenn der Ist-Durchmesser signifikant größer wird als der zugehörige Soll-Durchmesser. Da die Zustellung mit konstanter Zustellgeschwindigkeit erfolgt, wird bei einer Reduzierung der Hubgeschwindigkeit im gerade bearbeiteten Bohrungsabschnitt mehr Material abgetragen als ohne diese Reduzierung.
Im Beispiel von 3 ergibt sich im Zeitfenster von t_H = ca. 15 s bis t_H = ca. 20 s, dass der Ist-Durchmesser schwächer zunimmt als der Soll-Durchmesser, so dass der Ist-Durchmesser (DIW) etwa ab t_H = 17 s den Soll-Durchmesser unterschreitet. In dieser Phase nimmt die Hubgeschwindigkeit kontinuierlich zu. Wenn ein zulässiger Grenzwert für die Durchmesserabweichung überschritten wird (etwa bei t_H = 21 s), erfolgt bei DIW < DSW ein Regeleingriff in der Weise, dass die Hubgeschwindigkeit reduziert wird. Dadurch wird mittels der folgenden Hübe mehr Material im Bohrungsabschnitt abgetragen, so dass der Durchmesser-Istwert (DIW) sich dem Sollwert wieder annähert und diesen ggf. dann auch bei ca. 25 s wieder überschreitet. Übersteigt die Durchmesserabweichung einen Grenzwert, so greift die Regelung wieder ein und erhöht die Hubgeschwindigkeit wieder (ab ca. t_H = 25 s). Somit kann der Ist-Durchmesser allein durch Regelung der Hubgeschwindigkeit ohne Änderung des Hubveränderungsverlaufs in einem engen Toleranzbereich um den Soll-Durchmesser DSW gehalten werden.
Im Beispielsfall wird für jeden Doppelhub eine individuelle Einstellung bzw. Veränderung des Werts des zu regelnden Honparameters (hier: Hubgeschwindigkeit) berechnet. Dadurch wird eine besonders feinfühlige Regelung erreicht, wodurch die angestrebte Bohrungsform mit besonders guter Genauigkeit erzielt werden kann.
Bei dem Honprozess gemäß dem Ausführungsbeispiel von 4 gelten für den zeitlichen Verlauf der Hubposition HP und der Zustellposition ZP die gleichen Aussagen wie beim Beispiel von 3. Es wird also mit demselben axialen Soll-Konturverlauf und demselben Hubveränderungsverlauf gearbeitet. Auch bezüglich des Verlaufs des Soll-Durchmessers der Bohrung (DSW) und des Ist-Durchmessers während des Honens (DIW) gibt es keine Unterschiede. Im Unterschied zum Honprozess von 3 wird jedoch hier nicht die Hubgeschwindigkeit VH, sondern die Drehzahl DZ des Honwerkzeugs als zu regelnde Größe bzw. als zu regelnder Honparameter genutzt. Ergibt beispielsweise der Soll-Ist-Vergleich, dass der Ist-Durchmesser DIW den Soll-Durchmesser DSW um mehr als eine zulässige Durchmesserabweichung (Grenzwert) unterschreitet, so greift die Regelung in der Weise ein, dass die Drehzahl erhöht wird (im Beispielsfall bei einer Honzeit von ca. 21 s). Ergibt der Soll-Ist-Vergleich, dass der Ist-Durchmesser DIW tendenziell zu groß wird, greift die Regelung in der Weise ein, dass die Drehzahl reduziert wird (beispielsweise Regelungseingriff bei ca. t = 25 s). Diese Regelung ist zweckmäßig, da bei einer Drehzahlerhöhung (bei unveränderter Hubgeschwindigkeit) die Schnittgeschwindigkeit größer wird und somit ein größerer Materialabtrag pro Zeiteinheit erreicht werden kann.
Bei dem anhand von 5 erläuterten Ausführungsbeispiel wird die Zustellgeschwindigkeit bzw. Aufweitgeschwindigkeit VZ als zu regelnder Hubparameter genutzt. Der Soll-Konturverlauf sowie der vorgegebene Hubveränderungsverlauf (repräsentiert durch Kurve HP) bleiben gegenüber den vorherigen Beispielen unverändert. Gleiches gilt für den hypothetischen Verlauf des Sollwerts und des Istwerts des Durchmessers (Kurven DSW und DIW). Da sich die Zustellgeschwindigkeit durch einen Regeleingriff verändert, ändert sich auch die Steigung der Kurve ZP für die Zustellposition, da im Diagramm die Abhängigkeit von der Honzeit dargestellt ist. Unterschreitet der Ist-Durchmesser den Soll-Durchmesser um mehr als den zulässigen Grenzwert, so wird die Aufweitgeschwindigkeit erhöht (siehe zum Beispiel Regelungseingriff bei Honzeit ca. 21 s). Wird dagegen der Ist-Durchmesser um mehr als die zulässige Durchmesserabweichung zu groß, so wird die Aufweitgeschwindigkeit verringert (siehe zum Beispiel Regelungseingriff bei t = 25 s).
In entsprechender Weise kann die Honoperation durchgeführt werden, wenn die Aufweitkraft des Honwerkzeugs als zu regelnde Größe genutzt wird. Dies wird am Beispiel des Diagramms von 6 erläutert. Die Verläufe der Hubposition HP, der Aufweitposition ZP sowie des Soll-Durchmessers und des Ist-Durchmessers (DSW und DIW) der Bohrung sind die gleichen wie bei den vorhergehenden Beispielen. Es wird, genau wie bei den Beispielen der 3 und 4, mit konstanter Zustellgeschwindigkeit in der Hubveränderungsphase gearbeitet. Die zu regelnde Größe ist die Aufweitkraft FZ. Diese wird aufgrund eines Regeleingriffs erhöht, wenn der Ist-Durchmesser außerhalb einer zulässigen Durchmesserabweichung zu klein wird, während die Aufweitkraft verringert wird, wenn der Durchmesser zu groß wird. Dies ist an den Regelungseingriffen bei Honzeiten t = 21 s und t = 25 s gut zu erkennen.
Anhand der obigen Diagramme werden Ausführungsbeispiele veranschaulicht, bei denen jeweils nur ein einziger Honparameter als geregelte Größe genutzt wird, während alle anderen Honparameter einer Vorgabe folgen und nicht in Abhängigkeit vom Ergebnis der Durchmessermessung variiert werden. Häufig kann es sinnvoll sein, mindestens zwei, also zwei oder mehr, Honparameter der Honparameter-Gruppe synchron in Abhängigkeit von den Durchmesser-Messsignalen zu verändern, um ein bestimmtes Bearbeitungsergebnis zu erreichen. Die Diagramme in 7 und 9 zeigen dazu Ausführungsbeispiele.
Bei der anhand von 7 offenbarten Bearbeitung sind die Verläufe der Hubposition, des Durchmesser-Ist-Wertes und des Durchmesser-Soll-Wertes gleich wie bei den anderen Ausführungsbeispielen. Der Honparameter Hubgeschwindigkeit (Kurve VH) und der Honparameter Drehzahl (Kurve DZ) werden jeweils in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Durchmessermessung geregelt und entsprechend dieser Ergebnisse ggf. variiert. Die Drehzahl und die Hubgeschwindigkeit werden nicht unabhängig voneinander geregelt, sondern in der Weise, dass das am Honwerkzeug wirkende Drehmoment (Kurve DM) in allen drei Phasen der Honbearbeitung weitgehend konstant bleibt bzw. nur geringfügig um einige Prozent variiert. Dies ist ein Anzeichen dafür, dass die Eingriffsbedingungen zwischen Schneidstoffkörper und Bohrungsinnenwand relativ konstant gehalten werden können. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Formgenauigkeit besonders hoch bzw. die Abweichungen zwischen der erzielbaren Ist-Form und der angestrebten Soll-Form sehr gering bleiben.
Anhand von 8 wird ein Aspekt des Anmeldungsgegenstands beschrieben, der beispielsweise bei der Bearbeitung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen relevant sein kann, wo die Bauteilumgebung der Bohrung häufig strukturell uneinheitlich ist. 8 zeigt ein Beispiel einer Bohrung BO, die im fertig bearbeiteten Zustand eine durchgehend konische Form haben soll und die in einem eintrittsnahen ersten Bohrungsabschnitt BA1 eine relativ dicke Bohrungswandung aufweist, während entfernt vom Bohrungseintritt in der Nähe des Bohrungsaustritts ein zweiter Bohrungsabschnitt BA2 existiert, bei dem die Wandung wesentlich dünner ist, so dass das Werkstück in diesem Bereich labiler ist als näher am Bohrungseintritt. Unter anderem für solche Bearbeitungsaufgaben kann eine bohrungsspezifische, axial selektive Programmierung der Honoperation vorteilhaft sein, bei der für den ersten Bohrungsabschnitt BA1 und den zweiten Bohrungsabschnitt BA2 unterschiedliche Sub-Gruppen von Honparametern der Honparameter-Gruppe als Regelgröße vorgegeben oder zugelassen werden. Eine Honoperation kann beispielsweise so aussehen, dass im relativ stabileren ersten Bohrungsabschnitt BA1 primär der Zustelldruck als Regelgröße variiert wird, im zweiten Bohrungsabschnitt BA2 dagegen der Zustelldruck bzw. die Zustellgeschwindigkeit reduziert und dafür mit höherer Hubgeschwindigkeit gearbeitet wird, um den gewünschten hubspezifischen Materialabtrag zu erreichen.
Das Diagramm in 9 zeigt in entsprechender Darstellung zu den obigen Diagrammen einen beispielshaften Honprozess mit den zeitlichen Verläufen bestimmter, den Materialabtrag bestimmender Honparameter. Dabei wird eine Bohrung bearbeitet, die in einem unteren Bereich nahe dem Bohrungsaustritt einen relativ labileren zweiten Bohrungsabschnitt BA2 aufweist, der mechanisch schwächer ist als ein näher am Bohrungseintritt liegender erster Bohrungsabschnitt BA1 (vgl. 8). Für die Bearbeitung dieses mechanisch relativ labileren Bereichs wird die Zustellgeschwindigkeit (Kurve VZ) reduziert und die Hubgeschwindigkeit (Kurve VH) erhöht (siehe Kurvenverläufe bei ca. t_H = 27s). Daraus resultiert eine wandungsschonende Bearbeitung in diesem Bereich. Sollte in diesem Bereich zusätzlich der Soll-Durchmesser vom Ist-Durchmesser signifikant abweichen, so kann beispielsweise die Hubgeschwindigkeit (Kurve VH) in diesem Bereich entsprechend zusätzlich reguliert werden. In einem konkreten Beispielsfall wurde wegen einer Schwachstelle in der Bohrungswand die Zustellgeschwindigkeit in der Größenordnung von ca. ein µ/s reduziert und die Hubgeschwindigkeit in der Größenordnung um zwei m/min erhöht. Ist in diesem Bereich der Durchmesser zu klein, kann die Hubgeschwindigkeit nochmals zusätzlich um Beispielsweise zwei m/min erhöht werden. Für einen axial selektiven Eingriff, also unterschiedlicher Honparameter-Kombinationen in unterschiedlichen axialen Abschnitten der Bohrung, sind grundsätzlich alle Kombinationen zwischen Drehzahl, Hubgeschwindigkeit, Zustellgeschwindigkeit und Zustellkraft nutzbar.
Eine durchgängig konische Bohrungsform ist in den Ausführungsbeispielen nur beispielhaft genannt. Eine Bohrung kann auch einen axialen Konturverlauf haben, der z.B. der Form einer Tonne (Durchmesser in der Mitte größer als oben und unten) oder einer Flaschenform (oben und unten zylindrisch mit unterschiedlichen Durchmessern sowie konischen Übergang dazwischen) entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 102015221714 A1 [0008]
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DE 102014212941 A1 [0043]
DE 102010011470 A1 [0070]

Claims

Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mithilfe mindestens einer Honoperation, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, worin während einer Honoperation ein an eine Spindel angekoppeltes, aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung hin und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung gedreht wird, eine in Bezug auf eine Bohrungsachse rotationssymmetrische, von der Kreiszylinderform abweichende Bohrungsform mit einem axialen Konturverlauf erzeugt wird, und zur Erzeugung eines axial variierenden Materialabtrags in mindestens einer Hubveränderungsphase eine Hublänge und/oder eine Hublage der Hubbewegung verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn der Honoperation ein axialer Soll-Konturverlauf vorgegeben wird, der die Abhängigkeit des Soll-Durchmessers von der axialen Position in der zu bearbeitenden Bohrung repräsentiert, basierend auf dem Soll-Konturverlauf ein Hubveränderungsverlauf für die Hubveränderungsphase fest vorgegeben wird; während der Hubveränderungsphase eine Messung des Ist-Durchmessers der Bohrung zur Ermittlung eines Durchmesser-Messsignals durchgeführt wird, das den Ist-Durchmesser der Bohrung in einem gemessenen Bohrungsabschnitt repräsentiert; ein Soll-Ist-Vergleich zwischen dem ermittelten Ist-Durchmesser und einem zugeordneten Soll-Durchmesser zur Ermittlung einer Durchmesserabweichung durchgeführt wird und während der Hubveränderungsphase mindestens ein den Materialabtrag beeinflussender Honparameter in Abhängigkeit vom Ergebnis des Soll-Ist-Vergleichs variabel gesteuert wird.
Honverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Materialabtrag beeinflussender Honparameter ausgewählt ist aus der Honparameter-Gruppe: Hubgeschwindigkeit der Hubbewegung des Honwerkzeugs; Drehzahl der Drehbewegung des Honwerkzeugs; Zustellgeschwindigkeit bei einer eine Aufweitung einer Schneidgruppe des Honwerkzeugs; Zustellkraft bei einer Aufweitung einer Schneidgruppe des Honwerkzeugs.
Honverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Veränderung der Hubgeschwindigkeit die Hubgeschwindigkeit reduziert wird, wenn der Ist-Durchmesser kleiner als der Soll-Durchmesser ist und erhöht wird, wenn der Ist-Durchmesser größer als der Soll-Durchmesser ist. und/oder dass bei einer Veränderung der Drehzahl die Drehzahl reduziert wird, wenn der Ist-Durchmesser größer als der Soll-Durchmesser ist und erhöht wird, wenn der Ist-Durchmesser kleiner als der Soll-Durchmesser ist. und/oder dass bei einer Veränderung der Zustellgeschwindigkeit die Zustellgeschwindigkeit erhöht wird, wenn der Ist-Durchmesser kleiner als der Soll-Durchmesser ist und reduziert wird, wenn der Ist-Durchmesser kleiner als der Soll-Durchmesser ist. und/oder dass bei einer Veränderung der Zustellkraft die Zustellkraft erhöht wird, wenn der Ist-Durchmesser kleiner als der Soll-Durchmesser ist und reduziert wird, wenn der Ist-Durchmesser kleiner als der Soll-Durchmesser ist.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Veränderung eines der Honparameter der Honparameter-Gruppe mindestens ein zweiter Honparameter der Honparameter-Gruppe synchron derart verändert wird, dass eine durch die Veränderung eines der Honparameter verursachte Veränderung über die Spindel auf das Honwerkzeug übertragenen Drehmoments mindestens zum Teil kompensiert wird.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelungseingriff durch Veränderung eines der Honparameter der Honparameter-Gruppe nur dann erfolgt, wenn die Durchmesserabweichung einen vorgebbaren endlichen Grenzwert übersteigt.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Festlegung des Hubveränderungsverlaufs Hubinkremente (INK) fest vorgegeben werden, wobei ein Hubinkrement die absolute Größe einer Veränderung der axialen Position eines Umkehrpunkts der Hubbewegung zwischen einem Hub und dem unmittelbar folgenden nächsten Hub in der gleichen Richtung repräsentiert, wobei vorzugsweise die Hubinkremente als eine feste Funktion der Steigung des Soll-Konturverlaufs vorgegeben werden, insbesondere der Steigung des Soll-Konturverlaufs im oberen und unteren Umsteuerpunkt.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine bohrungsspezifische, axial selektive Programmierung, bei der die Bohrung in einen ersten Bohrungsabschnitt und mindestens einen zweiten Bohrungsabschnitt aufgeteilt wird, wobei für den ersten Bohrungsabschnitt und den zweiten Bohrungsabschnitt unterschiedliche Sub-Gruppen von Honparametern der Honparameter-Gruppe als Regelgrößen vorgegeben oder zugelassen werden.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Doppelhub eine individuelle Einstellung eines Werts des mindestens einen Honparameters der Honparameter-Gruppe berechnet wird.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während der Hubveränderungsphase ein Honwerkzeug (150) verwendet wird, das eine ringförmige Schneidgruppe (155) mit mehreren um den Umfang eines Werkzeugkörpers (152) verteilten, radial zustellbaren Schneidstoffkörpern (156) aufweist, deren in Axialrichtung gemessene axiale Länge kleiner ist als der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe bei vollständig in Radialrichtung zurückgezogenen Schneidstoffkörpern.
Honverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Honwerkzeug (150) mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: (i) die axiale Länge der Schneidstoffkörper liegt bei weniger als 50% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe (155), insbesondere zwischen 10% und 30% dieses Außendurchmessers; (ii) die axiale Länge der Schneidstoffkörper liegt im Bereich von 5 mm bis 90 mm; (iii) die axiale Länge der Schneidstoffkörper beträgt weniger als 35% der Bohrungslänge der Bohrung; (iv) die Schneidstoffkörper sind als in Umfangsrichtung schmale Schneidstoffleisten (156) ausgebildet, deren in Umfangsrichtung gemessene Breite klein gegenüber der axialen Länge der Schneidstoffleisten ist, wobei vorzugsweise ein Aspektverhältnis zwischen Länge und Breite im Bereich von 4:1 bis 20:1 liegt; (v) im axialen Bereich der Schneidstoffkörper (156), insbesondere auf halber Höhe der axialen Länge der Schneidstoffkörper, sind Messsensoren eines Durchmesser-Messsystems angebracht, insbesondere Messdüsen (172-1, 172-2) eines pneumatischen Durchmesser-Messsystems.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Honwerkzeug mit Doppelaufweitung verwendet wird, wobei die Schneidgruppe zwei Untergruppen von Schneidstoffkörpern aufweist, die separat voneinander zustellbar sind, wobei vorzugsweise die Schneidstoffkörper der Untergruppen unterschiedlich feine oder grobe Körnung aufweisen.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, bei dem die Schneidgruppe (130) mehrere radial zustellbare Schneidstoffkörper-Träger (158) aufweist, die jeweils einen Umfangswinkelbereich abdecken, der größer ist als die axiale Länge der Schneidstoffkörper, wobei vorzugsweise jeder der Schneidstoffkörper-Träger zwei, drei, vier oder mehr einzelne Schneidstoffkörper (156) in Form schmaler Honleisten trägt.
Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, das nicht-schneidende Führungsleisten zur Führung des Honwerkzeugs in der Bohrung aufweist, wobei die Führungsleisten fest am Werkzeugkörper montiert oder separat von den Schneidstoffkörpern zustellbar sind.
Bearbeitungsmaschine (100) zur Feinbearbeitung einer Innenfläche (214) einer Bohrung (210) in einem Werkstück (200) mithilfe mindestens einer Honoperation, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, mit mindestens einer Spindel (140) zur Bewegung eines an die Spindel angekuppelten Honwerkzeugs (150) innerhalb der Bohrung derart, dass durch mindestens einen an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper (156) eine Bearbeitung der Innenfläche erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsmaschine dafür konfiguriert ist, ein Honverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 an dem Werkstück durchzuführen.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (180) der Bearbeitungsmaschine dafür eingerichtet ist, Durchmesser-Messsignale eines Durchmesser-Messsystems (170) zu verarbeiten und einen Hubantrieb und/oder einen Drehantrieb (160) der Spindel und/oder einen Zustellantrieb in Abhängigkeit von den Durchmesser-Messsignalen zu steuern.