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Die Erfindung betrifft ein Rotations-Fräswerkzeug mit zumindest einem Honfreigang-Schneidelement nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Die Zylinder-Laufbahn in einem Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse eines Kraftfahrzeugs kann in der nachfolgenden Prozesskette hergestellt werden: Zunächst wird in einem Anlieferungszustand das Zylinderkurbelgehäuse mit einer zum Beispiel konischen Vorbohrung bereitgestellt. In einem Aufbohr-Schritt wird die Vorbohrung zu der durchmessergrößeren Zylinderbohrung aufgebohrt. Anschließend erfolgt ein Zirkularfräs-Schritt, bei dem am Bohrungsgrund ein Honfreigang erzeugt wird. Danach wird in einem Aufrau-Schritt die Innenwandung der Zylinderbohrung mittels eines Aufrau-Werkzeuges mechanisch aufgeraut. Im Aufrau-Schritt bildet der Honfreigang einen Werkzeugauslauf, in den das Aufrau-Werkzeug bis zu einem Umkehrpunkt einfahrbar ist, dort in einer Radialrichtung freigefahren wird und anschließend in einer Reversierrichtung belastungsfrei sowie außer Eingriff mit der Aufraustruktur aus der Zylinderbohrung herausgeführt wird. Anschließend kann eine APS-Beschichtung erfolgen, bei der mittels eines Brenners ein aufgeschmolzenes APS-Beschichtungsmaterial auf die Innenwandung der Zylinderbohrung aufgeschleudert wird. Der Brenner nutzt den Honfreigang ebenfalls als Werkzeugauslauf, in den der Brenner einfahrbar ist und dieser an einem Umkehrpunkt in Reversierrichtung wieder herausgeführt wird.
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Aus prozesstechnischer Sicht ergeben sich die folgenden Erfordernisse an die Geometrie des Honfreigangs: Erstens ist der Honfreigang als eine ringförmige Umlaufnut in einer Innenwandung der Zylinderbohrung auszubilden, und zwar mit einem im Querschnitt in etwa halbkreisförmigen oder ellipsenförmigen Rundprofil. Ein radial äußerer Nutboden der ringförmigen Umlaufnut liegt auf einem Durchmesser, der größer als der der Zylinderbohrungs-durchmesser ist. Zweitens ist der Honfreigang nicht glattflächig, sondern vielmehr mit einer gewissen Oberflächenrauigkeit (zum Beispiel Rz100) auszubilden. Bei einem glattflächigen Honfreigang besteht nämlich während der APS-Beschichtung das Prozessrisiko, dass Partikel des APS-Beschichtungsmaterials von der glatten Oberfläche des Honfreigangs abprallen und - unter Bildung von Fehlstellen - wieder in die Zylinderbohrung zurückgeschleudert werden. Durch Bereitstellung der Oberflächenrauigkeit prallen die Partikel des APS-Beschichtungsmaterials nicht mehr vom Honfreigang ab, sondern bleiben vielmehr daran haften.
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Nach dem Aushärten der aufgeschleuderten APS-Schicht erfolgt eine Honbearbeitung der APS-Schicht, und zwar unter Bildung der Zylinderlaufbahn in der Zylinderbohrung. Zudem werden die für die Erfindung bedeutsamen folgenden Nachbearbeitungs-Prozessschritte durchgeführt: Zunächst wird am umlaufenden Öffnungsrand der Zylinderbohrung eine Öffnungsrandfase durch Fräsbearbeitung erzeugt. Anschließend wird an der umlaufenden Übergangskante zwischen der Zylinderbohrung und dem Honfreigang eine Übergangsfase ebenfalls durch Fräsbearbeitung erzeugt. Ferner werden in einer weiteren Fräsbearbeitung APS-Rückstände aus dem Honfreigang entfernt und die Oberflächenrauigkeit des Honfreigangs reduziert (das heißt der Honfreigang geglättet).
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Bei einer Nachbearbeitung der mit APS-Material beschichteten Zylinderbohrung können die umlaufende Öffnungsrandfase sowie die umlaufende Übergangsfase in der Zylinderbohrung mit einem Fasen-Fräswerkzeug erzeugt werden. Davon unabhängig wird für die Honfreigang-Nachbearbeitung ein separates Honfreigang-Fräswerkzeug bereitgestellt, mit dem der Honfreigang geglättet wird.
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Im Stand der Technik erfolgen daher die Fasen-Erzeugung und die Honfreigang-Nachbehandlung werkzeugtechnisch aufwendig mittels zweier separater Werkzeuge sowie prozesstechnisch aufwendig in zwei separaten Prozessschritten.
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Aus der
DE 102 23 687 A1 ist ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken bekannt. Aus der
WO 2009/026932 A1 ist ein Rotations-Fräswerkzeug bekannt. Aus der
DE 42 28 322 A1 ist ein Bohrfräser bekannt.
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Aus der
DE 10 2004 038 174 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelwellengehäuses mit thermisch gespritzter Zylinderlauffläche bekannt. Aus der
DE 10 2014 116 856 A1 ist ein Kombinationswerkzeug zur Bearbeitung von Zylinderbohrungen bekannt. Aus der
DE 20 2004 009 549 U1 ist ein Reibwerkzeug bekannt. Aus der
DE 10 2017 102 883 A1 ist ein Verfahren und ein Werkzeug zum Entfernen einer Beschichtung von einem Substrat bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Rotations-Fräswerkzeug bereitzustellen, mit deren Hilfe die obigen Nachbehandlungs-Prozessschritte im Vergleich zum Stand der Technik mit reduziertem Werkzeugaufwand sowie in reduzierter Prozessdauer durchführbar sind.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Erfindungsgemäß wird ein Rotations-Fräswerkzeug bereitgestellt, das im Zirkularfrässchritt nicht nur die Honfreigang-Nachbearbeitung durchführt, sondern zusätzlich auch gleichzeitig eine Fasenbearbeitung ausführt, bei der am Öffnungsrand der Zylinderbohrung und/oder an der Übergangskante der Zylinderbohrung eine Fase erzeugt wird. Hierzu kann das Fräswerkzeug zumindest ein Öffnungsrandfasen-Schneidelement aufweisen, mittels dem die Öffnungsrandfase erzeugt wird. Zudem kann das Fräswerkzeug alternativ und/oder zusätzlich ein Übergangsfasen-Schneidelement aufweisen, mittels dem die Übergangsfase erzeugt wird.
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Erfindungsgemäß erfolgt also mittels des Honfreigang-Schneidelements ein Aluminium-Abtrag im Honfreigang, während mittels der Fasen-Schneidelemente nicht nur ein Aluminium-Abtrag, sondern auch ein Abtrag von APS-Material (enthält Eisen) erfolgt, das wesentlich härter als der Aluminium-Werkstoff des Werkstückes ist. Von daher wird erfindungsgemäß - in kompletter Abkehr zur gängigen Praxis - eine Mischbearbeitung durchgeführt, bei der mit einem gemeinsamen Rotations-Fräswerkzeug sowohl das harte APS-Material als auch das weiche Aluminium-Material abgetragen wird.
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In einer technischen Umsetzung ist das Honfreigang-Schneidelement an der Werkzeugspitze des Fräswerkzeugs angeordnet. Das Honfreigang-Schneidelement weist eine Schneide auf, die dem Honfreigang-Profil (vor der Nachbearbeitung) konturangepasst ist. Demgegenüber kann das Übergangsfasen-Schneidelement und das Öffnungsrandfasen-Schneidelement über einen Axialversatz von der Werkzeugspitze axial beabstandet am Werkzeugschaft des Fräswerkzeugs angeordnet sein.
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Der Werkzeugschaft des Fräswerkzeugs kann an der Werkzeugspitze einen durchmessergroßen Tragabschnitt aufweisen, an dem sowohl das Honfreigang-Schneidelement als auch das Übergangsfasen-Schneidelement angeordnet sind. An der, von der Werkzeugspitze abgewandten Schaftseite kann ebenfalls ein durchmessergroßer Tragabschnitt ausgebildet sein, an dem das Öffnungsrandfasen-Schneidelement angeordnet ist. Zwischen den beiden durchmessergroßen Tragabschnitten kann der Werkzeugschaft einen durchmesserkleinen Schaftabschnitt aufweisen, der im Zirkularfrässchritt außer Fräseingriff mit der Innenwandung der Zylinderbohrung ist.
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Im Hinblick auf eine einwandfreie Fräsbearbeitung sind eine Mehrzahl von zueinander umfangsverteilten Übergangsfasen-Schneidelementen, Honfreigang-Schneidelementen sowie Öffnungsrandfasen-Schneidelementen bereitgestellt. Die Übergangsfasen-Schneidelemente und die Honfreigang-Schneidelemente sind bevorzugt nicht in einer einheitlichen Schneiden-Ebene angeordnet, sondern vielmehr über einen Versatzwinkel voneinander beabstandet. Im Hinblick auf ein einwandfreies Fräsergebnis ist es bevorzugt, wenn das Übergangsfasen-Schneidelement und das Honfreigang-Schneidelement in der Umfangsrichtung betrachtet teilweise in Überdeckung bringbar sind, um einen glatten Übergang von der Übergangsfase zum Honfreigang in der Zylinderbohrung zu gewährleisten.
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Wie bereits oben erwähnt, ist das Honfreigang-Schneidelement in erster Linie in Fräseingriff mit weichem Aluminium-Material, während die Fasen-Schneidelemente in erster Linie in Fräseingriff mit hartem APS-Material sind. Von daher kann bevorzugt das Honfreigang-Schneidelement (aus PKD hergestellt) nicht auswechselbar am Werkzeugschaft verlötet sein. Demgegenüber sind die Fasen-Schneidelemente größeren Belastungen ausgesetzt, so dass diese bevorzugt auswechselbar, etwa durch Verschraubung, am Werkzeugschaft angebunden sind, um einen verschleißbedingten Wechsel der Fasen-Schneidelemente zu gewährleisten.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 einen Ausschnitt aus einem Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse mit einer fertig bearbeiteten Zylinderbohrung;
- 2 ein Rotationswerkzeug zur Durchführung von Nachbearbeitungs-Prozessschritten in der Zylinderbohrung;
- 3 bis 5 jeweils Ansichten, die einen Nachbearbeitungs-Prozessschritt veranschaulichen;
- 6 bis 9 Ansichten eines Rotations-Fräswerkzeugs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In der 1 ist ein Ausschnitt aus einem Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse 1 mit einer Zylinderbohrung 3 gezeigt. Die Zylinderbohrung 3 weist einen, um die Bohrungsachse B rotationssymmetrischen Honfreigang 5 auf, der über eine Bohrungstiefe tB von einem, in die Werkstück-Oberfläche 4 mündenden Öffnungsrand 10 (3 oder 4) der Zylinderbohrung 3 beabstandet ist. Der Honfreigang 5 ist in der 1 als eine ringförmige Umlaufnut mit einem radial äußeren Nutboden in einer Innenwandung der Zylinderbohrung 3 ausgebildet. Der Nutbodendurchmesser dN (1) des Honfreigangs 5 ist größer bemessen als der Durchmesser dz (1) der Zylinderbohrung 3. In der 1 weist der Honfreigang 5 im Querschnitt ein Rundprofil einer geglätteten Oberfläche 5 auf, wobei die Oberflächenrauigkeit Rz beispielhaft bei Rz25 liegen kann. In der 1 ist die Innenwandung der Zylinderbohrung 3 mit einer APS-Schicht 7 überzogen, die in der 1 mit übertrieben großer Schichtdicke dargestellt ist. Die Zylinderbohrung 3 weist an ihrem, in die Werkstück-Oberfläche 4 mündenden Öffnungsrand 10 (3 oder 4) eine umlaufende Öffnungsrandfase 9 auf. Zudem weist die Zylinderbohrung 3 an ihrem Übergang zum Honfreigang 5 eine umlaufende Übergangsfase 11 auf.
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In einer Prozesskette zur Herstellung der in der 1 gezeigten Zylinderbohrung 3 erfolgt nach der APS-Beschichtung eine Glättung des Honfreigangs 5 sowie die Ausbildung der beiden Fasen 9, 11 mit Hilfe eines in der 2 gezeigten Rotations-Fräswerkzeugs. Das Fräs-Werkzeug weist einen an einer gestrichelt angedeuteten Maschinenspindel 13 befestigbaren Werkzeugschaft 15 auf, der an der Werkzeugspitze 17 insgesamt sieben gleichmäßig umfangsverteilte Honfreigang-Schneidelemente 17 trägt. Jedes der Honfreigang-Schneidelemente 17 weist eine radial nach außen gewölbte, halbkreisförmige Profil-Schneide auf. Um einen Axialversatz a1 zur Werkzeugspitze beabstandet sind ebenfalls sieben umfangsverteilte Übergangsfasen-Schneidelemente 19 bereitgestellt. Sowohl die Honfreigang-Schneidelemente 17 als auch die Übergangsfasen-Schneidelemente 19 sind in einem durchmessergrößeren Tragabschnitt 21 des Werkzeugschafts 15 angeordnet. Mit einem größeren Axialabstand a2 von der Werkzeugspitze beabstandet sind in einem weiteren durchmessergroßen Tragabschnitt 21 ebenfalls umfangsverteilte Öffnungsrandfasen-Schneidelemente 23 angeordnet.
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Die beiden durchmessergroßen Tragabschnitte 19, 21 sind über einen durchmesserkleinen Schaftabschnitt 25 voneinander beabstandet, der in der nachfolgend beschriebenen Fräsbearbeitung außer Fräseingriff mit der Innenwandung der Zylinderbohrung 3 verbleibt. Die beiden Tragabschnitte 19, 21 laufen jeweils konusförmig in Richtung auf die mittleren, durchmesserkleinen Zwischenabschnitt 25 zu.
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In der 2 sind die Öffnungsrandfasen-Schneidelemente 23 auswechselbar durch Schraubverbindung am Tragabschnitt 21 des Werkzeugschafts 15 angebunden. Die Übergangsfasen-Schneidelemente 18 sowie die Honfreigang-Schneidelemente 17 sind dagegen fest mit dem Tragabschnitt 21 des Werkzeugschafts 15 verlötet. Die Rundprofil-Schneide des Honfreigang-Schneidelements 17 geht in der 2 unmittelbar über in die schräggestellte geradlinige Schneidenkante des Übergangsfasen-Schneidelements 18. Zwischen dem Honfreigang-Schneidelement 17 und dem Übergangsfasen-Schneidelement 18 ist in Umfangsrichtung kein Versatzwinkel vorhanden.
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Die Schneidelemente 17, 18, 23 sind allesamt aus PKD (polykristalliner Diamant) hergestellt, der zur Fräsbearbeitung von Nichteisen-Werkstücken, etwa Werkstücke aus Aluminium-Legierungen verwendet wird.
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Nachfolgend wird anhand der 3 bis 5 eine Prozessabfolge zur Glättung des Honfreigangs 5 sowie zur Ausbildung der Fasen 9, 11 beschrieben: Demzufolge wird zunächst in der 3 das Zylinderkurbelgehäuse 1 mit Zylinderbohrung 3 bereitgestellt, in der noch keine Fasen 9, 11 ausgebildet sind und der Honfreigang 5 noch nicht glattflächig, sondern vielmehr mit einer gewissen Oberflächenrauigkeit (zum Beispiel Rz100) ausgebildet ist. Das Rotations-Fräswerkzeug wird in der 3 zunächst belastungsfrei sowie außer Materialeingriff in einer Senkrichtung I bis Erreichen der Bohrungstiefe tB in die Zylinderbohrung abgesenkt, und zwar mit einer zur Bohrungsachse B koaxialen Werkzeug-Rotationsachse R. Anschließend wird das rotierende Fräswerkzeug in einem Zirkularfrässchritt radial um einen Radialversatz Δr (5) ausgesteuert, bis deren Honfreigang-Schneidelemente 17 in Fräseingriff mit dem Honfreigang 5 sind und gleichzeitig die Fasen-Schneidelemente 18, 23 in Fräseingriff mit dem Öffnungsrand 10 sowie mit der Übergangskante 12 sind. Das rotierende Fräswerkzeug wird in einer Kreisbahn um die Bohrungsachse B geführt. Nach erfolgtem Zirkularfrässchritt wird das Rotations-Fräswerkzeug in Reversierrichtung wieder belastungsfrei aus der Zylinderbohrung herausgeführt.
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Anhand der 6 bis 9 ist ein Rotations-Fräswerkzeug gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben. Der grundsätzliche Aufbau sowie die Funktionsweise des zweiten Rotations-Fräswerkzeugs sind identisch wie bereits anhand der 1 bis 5 erläutert. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind im zweiten Ausführungsbeispiel sowohl die Übergangsfasen-Schneidelemente 18 als auch die Öffnungsrandfasen-Schneidelemente 23 auswechselbar (durch Verschraubung) an den jeweiligen Tragabschnitten 19, 21 des Werkzeugschafts 15 montiert. Demgegenüber sind die Honfreigang-Schneidelemente 17 fest mit dem Werkzeugschaft 15 verlötet. Die Honfreigang-Schneidelemente 17 und die Übergangsfasen-Schneidelemente 18 sind in der 7 nicht mehr in gleicher Schneiden-Ebene positioniert, sondern vielmehr über einen Versatzwinkel α (7) zueinander versetzt angeordnet. Auf diese Weise können die Übergangsfasen-Schneidelemente 18 und die Honfreigang-Schneidelemente 17 in der Umfangsrichtung betrachtet zumindest teilweise in Überdeckung gebracht werden, wie es in der 8 angedeutet ist. In der 8 ist eine gestrichelt dargestellte Projektion 27 eines Übergangsfasen-Schneidelementes 18 in Umfangsrichtung (das heißt unter Aufbrauch des Versatzwinkels α) in die Schneiden-Ebene des gezeigten Honfreigang-Schneidelement 17 verlagert. Aus der 8 geht hervor, dass die Projektion 27 teilweise in Überdeckung mit dem Honfreigang-Schneidelement 17 gebracht ist, wodurch ein einwandfreies Fräsergebnis mit glattem Übergang zwischen der Übergangsfase 11 und dem Honfreigang 5 gewährleistet ist.
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In der 9 ist die Zylinderbohrung 3 des Zylinderkurbelgehäuses 1 nach Durchführung der Nachbearbeitungs-Prozessschritte (3 bis 5) gezeigt. Demzufolge sind sowohl der Honfreigang 5 geglättet, als auch die Fasen 9, 11 ausgebildet. In der 9 weist das Honfreigang-Schneidelement 17 keine Rundprofil-Schneide auf, sondern eine zylinderförmige Schneide, die in der Axialrichtung im Wesentlichen achsparallel zur Werkzeugachse R verläuft. Von daher weist in der 9 der Honfreigang 5 im Querschnitt kein Rundprofil auf, sondern ein zylindrisches Hohlprofil.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkurbelgehäuse
- 3
- Zylinderbohrung
- 4
- Werkstück-Oberfläche
- 5
- Honfreigang
- 7
- APS-Schicht
- 9
- Öffnungsrandfase
- 10
- Öffnungsrand
- 11
- Übergangsfase
- 12
- Übergangskante
- 13
- Maschinenspindel
- 15
- Werkzeugschaft
- 17
- Honfreigang-Schneidelement
- 18
- Übergangsfasen-Schneidelement
- 19, 21
- durchmessergroße Tragabschnitte
- 23
- Öffnungsrandfasen-Schneidelement
- 25
- durchmesserkleiner Zwischenabschnitt
- 27
- Schneidelement-Überdeckung
- B
- Bohrungsachse
- R
- Werkzeug-Rotationsachse
- α
- Versatzwinkel
- Δr
- Radialversatz
- tB
- Bohrungstiefe
- dZ
- Zylinderbohrungs-Durchmesser
- a1, a2
- Axialabstände
- Δr
- Radialversatz
- I
- Senkrichtung
