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Die Erfindung betrifft ein Rotations-Werkzeug zur Erzeugung einer vordefinierten Oberflächen-Rauigkeit in einem Aufrau- oder Glättungsprozess nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Aufrauen oder Glätten einer Werkstück-Oberfläche nach dem Anspruch 10.
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Die Zylinder-Laufbahn in einem Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse eines Kraftfahrzeugs kann in einer Prozesskette hergestellt werden, bei der das Zylinderkurbelgehäuse in einem Anlieferungszustand mit einer zylindrischen Vorbohrung sowie mit einem im Vergleich zur Zylinderbohrung durchmessergrößeren Hohnfreigang bereitgestellt wird. In einem Aufrau-Schritt wird die Innenwandung der Zylinderbohrung mittels eines Aufrau-Werkzeugs aufgeraut. 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 als Werkzeugauslauf, in den der Brenner einfahrbar ist und an einem Umkehrpunkt in Reversierrichtung wieder reversiert wird. Nach dem Aushärten der aufgeschleuderten APS-Schicht erfolgt eine Honbearbeitung der APS-Schicht, und zwar unter Bildung der Zylinderlaufbahn in der Zylinderbohrung.
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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. Ein radial äußerer Nutboden der ringförmigen Umlaufnut liegt auf einem Durchmesser, der größer ist als der Zylinderbohrungsdurchmesser. Zweitens ist der Honfreigang nicht glattflächig, sondern mit einer gewissen Oberflächen-Rauigkeit (zum Beispiel Rz100) auszubilden. Bei einem glattflächigen Hohnfreigang 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 diese daran haften.
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Die Oberflächenrauigkeit im Hohnfreigang wird in einem gattungsgemäßen Aufrau-Prozess nicht durch spanende Bearbeitung erzeugt. Eine solche spanende Bearbeitung würde mit einem erhöhten Materialabtrag verbunden sein. Von daher müsste der Honfreigang im Anlieferungszustand mit einem entsprechend großen Material-Aufmaß vorgehalten werden. Im Gegensatz dazu wird der gattungsgemäße Aufrau-Prozess mittels plastischer Umformung (das heißt ohne Materialabtrag) der Werkstück-Oberfläche des Honfreigangs durchgeführt.
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Ein gattungsgemäßes Rotations-Werkzeug weist einen Werkzeug-Grundkörper auf, der zumindest ein Formelement mit einem Formprofil trägt. Im Aufrau-Prozess ist das Formprofil bei rotierendem Werkzeug mit einer, die Oberflächen-Rauigkeit definierenden Soll-Rautiefe im Materialeingriff mit der Werkstück-Oberfläche.
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Zur Durchführung des Aufrau-Prozesses wird das Rotations-Werkzeug zunächst koaxial zur Zylinderbohrungsachse belastungsfrei bis auf axiale Höhe des Honfreigangs geführt. Anschließend wird das rotierende Rotations-Werkzeug in einem Zirkular-Formschritt radial um einen Radialversatz ausgesteuert und in einer Kreisbahn um die Zylinderbohrungsachse geführt, wodurch die Werkstück-Oberfläche des Honfreigangs mit der Oberflächen-Rauigkeit versehen wird.
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Aufgrund geringfügiger, in Radialrichtung auftretender Positionsungenauigkeiten des Rotations-Werkzeugs (im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm) besteht die Problematik, dass die eingeformte Oberflächen-Rauigkeit in der Umfangsrichtung nicht konstant ist, sondern vielmehr variiert, das heißt entweder zu tief oder zu flach ist. Eine solche in Umfangsrichtung variierende Oberflächen-Rauigkeit ist im Hinblick auf die Prozesssicherheit bei der nachfolgenden APS-Beschichtung von Nachteil.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Rotations-Werkzeug bereitzustellen, das in einem Aufrau- oder Glättungsprozess eine vordefinierte Oberflächen-Rauigkeit erzeugt, und zwar im Vergleich zum Stand der Technik mit reduzierter Prozessdauer sowie reduzierten toleranzbedingten Rauigkeits-Abweichungen.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist zur Bereitstellung einer gleichmäßigen Oberflächen-Rauigkeit entlang des Werkstück-Innenumfangs das Formelement gegenüber dem Werkzeug-Grundkörper nicht mehr bauteilsteif abgestützt, sondern vielmehr zwischen einer radial äußeren Grundstellung und einer radial inneren Ausgleichsstellung verstellbar. In der radial äußeren Grundstellung bewegt sich das Formprofil auf einer durchmessergrößeren Kreisbahn um die Werkzeug-Rotationsachse. Deren Durchmesser ist um ein Ausgleichsmaß größer als der Durchmesser einer durchmesserkleineren Kreisbahn, entlang der sich das Formprofil in seiner radial inneren Ausgleichsstellung bewegt. Sobald im Aufrau- oder Glättungsprozess aufgrund von Positionsungenauigkeiten das Formelement in übermäßig großem Materialeingriff ist, wird das Formelement selbsttätig unter Reduzierung des Materialeingriffs von seiner Grundstellung in Richtung seiner radial inneren Ausgleichsstellung verstellt. Das Formelement kann während des Aufrau- oder Glättungsprozesses zumindest bis in eine Zwischenstellung (Z) zwischen der Grundstellung (G) und der Ausgleichsstellung (A) oder bis unmittelbar in die Ausgleichsstellung (A) verstellt werden.
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Sobald also im Aufrau- oder Glättungsprozess eine Ist-Rautiefe des Formelementes in der Werkstück-Oberfläche eine Soll-Rautiefe übersteigt, wird das Formelement von seiner durchmessergroßen Grundstellung in Richtung seiner radial inneren (das heißt durchmesserkleinen) Ausgleichsstellung verstellt, und zwar unter Reduzierung der Ist-Rautiefe. Auf diese Weise erfolgt eine selbsttätige Anpassung des Formelementes an den Konturverlauf im Werkstück-Innenumfang, so dass in der Werkstück-Umfangsrichtung eine durchgängig konstante Oberflächen-Rauigkeit erzeugbar ist, und zwar auch bei radialen Positionsungenauigkeiten des Rotations-Werkzeugs.
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In einer technischen Umsetzung kann dem Formelement eine Feder zugeordnet sein, mittels der das Formelement in Richtung seiner durchmessergrößeren Grundstellung federvorgespannt sein. Im Aufrau-Prozess kann somit eine Ausgleichsbewegung des Formelementes von seiner Grundstellung in Richtung seiner durchmesserkleineren Ausgleichsstellung erfolgen, und zwar unter Aufbau einer Feder-Rückstellkraft, die der Ausgleichsbewegung entgegenwirkt.
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Das Formelement kann in einer Ausführungsvariante (in der Radialrichtung betrachtet) in einer Linearbewegung zwischen durchmessergrößeren Grundstellung und der durchmesserkleineren Ausgleichsstellung verstellbar sein. Im Hinblick auf eine konstruktiv einfache Verstellmöglichkeit ist es dagegen bevorzugt, wenn das Formelement mit einem Schwenkweg um eine Schwenkachse zwischen der Grundstellung und der Ausgleichsstellung verschwenkbar ist. Die Schwenkachse kann bevorzugt achsparallel zur Rotationsachse des Rotations-Werkzeugs ausgerichtet sein.
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Im Hinblick auf eine Bauteilreduzierung im Rotations-Werkzeug ist es bevorzugt, wenn die Feder als ein auf Torsion beanspruchbarer Drehfederstab ausgeführt ist. Dieser kann an einem Ende kraftübertragend am Formelement angebunden sein und am axial gegenüberliegenden Stabende kraftübertragend am Werkzeug-Grundkörper angebunden sein. Die Drehstabfeder übernimmt nicht nur eine Federwirkung, sondern in Doppelfunktion zusätzlich auch die Halterung des Formelementes am Werkzeug-Grundkörper.
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Im Hinblick auf eine einwandfreie Betriebsfähigkeit ist es bevorzugt, wenn das Formelement um einen Stellweg (insbesondere ein Schwenkweg) zwischen vordefinierten Bewegungsanschlägen im Werkzeug-Grundkörper verstellbar ist.
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Das Formprofil des Formelementes kann eine Längsprofilkante aufweisen, die sich achsparallel zur Rotations-Achse des Rotations-Werkzeugs erstreckt. Im Kantenverlauf der Längsprofilkante können eine Vielzahl von axial hintereinander angeordneten Formzähnen ausgebildet sein, die über eine Profilhöhe von einem Profilgrund radial nach außen abragen. Alternativ dazu kann der Kantenverlauf der Profilkante beliebig sein. Beispielhaft kann die Profilkante als eine Rund-Profilkante realisiert sein.
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In einem konkreten Anwendungsfall kann der Werkstück-Innenumfang ein Honfreigang in einer Werkstück-Zylinderbohrung sein, der im Vergleich zur Zylinderbohrung durchmessergrößer ist. Im Aufrau-Prozess kann das Rotations-Werkzeug koaxial zur Bohrungsachse belastungsfrei durch die Zylinderbohrung bis auf axiale Höhe des Honfreigangs eingeführt werden. Anschließend kann das rotierende Rotations-Werkzeug in einem Zirkular-Formschritt radial ausgesteuert werden und in einer Kreisbahn um die Bohrungsachse geführt werden. Auf diese Weise kommt die Werkstück-Oberfläche des Honfreigangs in Materialeingriff mit dem Formprofil des Formelementes, wodurch die Oberflächen-Rauigkeit erzeugt wird.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 einen Ausschnitt aus einem Zylinderkurbelgehäuse mit einer Zylinderbohrung, an deren Bohrungsgrund ein Honfreigang ausgebildet ist;
- 2 in vergrößerter Teilansicht ein Honfreigang-Profil mit eingearbeiteter Oberflächen-Rauigkeit;
- 3 bis 6 unterschiedliche Ansichten eines Rotations-Werkzeugs;
- 7 bis 11 jeweils Ansichten, anhand derer ein Aufrau-Prozess veranschaulicht ist; und
- 12 in einer vergrößerten Teilschnittansicht ein Rotations-Werkzeug mit einem Formelement, in dem eine Formrolle drehgelagert ist.
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In der 1 ist ein Ausschnitt aus einem Zylinderkurbelgehäuse 1 mit einer Zylinderbohrung 3 gezeigt. Die Zylinderbohrung 3 weist einen um die Bohrungsachse B rotationssymmetrischen Honfreigang 5 auf, der in einer Bohrungstiefe tB an einem Bohrungsgrund 7 der Zylinderbohrung 3 ausgebildet ist. Der Honfreigang 5 ist als eine ringförmige Umlaufnut mit einem radial äußeren Nutboden 6 in einer Innenwandung der Zylinderbohrung 3 ausgebildet. Der Nutbodendurchmesser dN des Honfreigangs 5 ist größer bemessen als der Durchmesser dz der Zylinderbohrung 3. In der 1 oder 2 weist der Honfreigang 5 an seinem Nutboden 6 eine vordefinierte Oberflächen-Rauigkeit Rz bzw. eine Mikrorillenstruktur auf, die in einem später beschriebenen Zirkular-Formschritt (9) in den Nutboden 6 des Honfreigangs 5 durch plastische Umformung eingebracht wird.
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Die Oberflächen-Rauigkeit Rz wird mittels eines in den 3 bis 6 gezeigten Rotations-Werkzeugs erzeugt. Das Werkzeug weist einen Werkzeug-Grundkörper 11 mit einem, an einer Maschinenspindel befestigbaren Werkzeugschaft auf. An der Werkzeugspitze 13 (3) sind insgesamt sechs gleichmäßig umfangsverteilte Formelemente F1 bis F6 angeordnet. Jedes der Formelemente F1 bis F6 weist eine radial äußere Längsprofilkante 14 (6) auf, dessen Kantenverlauf achsparallel zur Rotationsachse R des Rotations-Werkzeugs ausgerichtet ist.
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In der 6 sind im Kantenverlauf der Längsprofilkante 14 eine Vielzahl von axial hintereinander angeordneten Formzähnen 15 ausgebildet, die über eine Profilhöhe h von einem Profilgrund 16 radial nach außen abragen.
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Gemäß der 5 weist jedes der Formelemente F1 bis F6 einen Nabenabschnitt 17 auf, der über eine Innen-Steckverzahnung kraftübertragend auf einer Außen-Steckverzahnung eines Drehfederstabs 19 in Presspassung aufgesteckt ist. Das über das Formelement F1 bis F6 hinausragende Stabende 21 ist in einer Lagerplatte 23 (3) gelagert, die die Werkzeugspitze 13 stirnseitig abschließt. Jede der Drehstabfedern 19 ist mit ihrem von der Werkzeugspitze 13 abgewandten Stabende 25 (5) ebenfalls in kraftübertragender Steckverbindung mit einem drehfest im Werkzeug-Grundkörper 11 montierten Tragring 27.
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Jedes der Formelement F1 bis F6 ist gemäß der 4 um eine Schwenkachse S zwischen einer durchmessergroßen (radial äußeren) Grundstellung G und einer durchmesserkleinen (radial inneren) Ausgleichsstellung A schwenkbar gelagert. Die Schwenkachse S verläuft koaxial zur Stabachse des jeweiligen Drehfederstabs 19. In der radial äußeren Grundstellung G bewegt sich das Formprofil 12 des jeweiligen Formelementes F1 bis F6 auf einer durchmessergroßen Kreisbahn KG (4) um die Werkzeug-Rotationsachse R. In der radial inneren Ausgleichsstellung A bewegt sich das Formprofil 12 auf einer durchmesserkleinen Kreisbahn KA (4) um die Werkzeug-Rotationsachse R, die um ein Ausgleichsmaß Δa durchmesserkleiner ist als die Kreisbahn KG, entlang der sich das Formprofil 12 in seiner radial äußeren Grundstellung G bewegt.
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In der Grundstellung G ist jedes der Formelemente F1 bis F6 in Richtung auf einen in der Rotationsrichtung vorgelagerten Drehanschlag 29 mit einer vorgegebenen Federkraft der Drehstabfeder 19 vorgespannt. Das jeweilige Formelement F1 bis F6 ist um einen Schwenkweg Δs (4) in der Werkzeug-Umfangrichtung zwischen dem vorgelagerten Drehanschlag 29 und einem, dem jeweiligen Formelement F1 bis F6 nachgelagerten Drehanschlag 31 verstellbar, und zwar während einer im Aufrau-Prozess erfolgenden Ausgleichsbewegung sowie unter Aufbau einer Feder-Rückstellkraft, die der Ausgleichsbewegung entgegenwirkt.
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Nachfolgend ist anhand der 7 bis 11 ein Aufrau-Prozess zur Erzeugung der in der 1 oder 2 gezeigten Oberflächen-Rauigkeit im Nutboden 6 des Honfreigangs 5 beschrieben: Demzufolge wird das Rotations-Werkzeug zunächst koaxial zur Bohrungsachse B belastungsfrei durch die Zylinderbohrung 3 bis auf axiale Höhe des Honfreigangs 5 geführt (7 und 8). Anschließend wird das rotierende Rotations-Werkzeug in einem Zirkular-Formschritt radial um einen Radialversatz Δr ausgesteuert und in einer Kreisbahn um die Bohrungsachse B geführt (9). Auf diese Weise wird das Formprofil 12 des jeweiligen Formelementes F1 bis F6 bei rotierendem Werkzeug mit einer Soll-Rautiefe tR in Materialeingriff mit der Werkstück-Oberfläche 33 gebracht, wie es in der 10 angedeutet ist. In der 10 bleibt das Formelement F1 während des Aufrau-Prozesses in seiner radial äußeren Grundstellung G. Auf diese Weise erfolgt am Nutboden 6 des Honfreiganges 5 eine plastische Umformung der Werkstück-Oberfläche 33, unter Bildung der Oberflächen-Rauigkeit Rz.
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Aufgrund von in Radialrichtung auftretenden Positionsungenauigkeiten kann sich der Materialeingriff des Rotations-Werkzeugs im Nutboden 6 des Honfreigangs 5 übermäßig erhöhen. In der 11 ist ein solcher übermäßig großer Materialeingriff 34 angedeutet. Mit dem übermäßig großen Materialeingriff 34 nimmt in der 11 die auf das Formelement F1 wirkende Belastung entgegen der Rotationsrichtung zu, so dass sich Formelement F1 unter Aufbau einer Rückstellkraft (das heißt entgegen der Federkraft der Drehstabfeder 19) von seiner Grundstellung G (10) in Richtung auf seine Ausgleichsstellung A (4 oder 11) bis in eine Zwischenstellung Z bewegt. Dies erfolgt unter Reduzierung des übermäßig großen Materialeingriffs 34, wodurch eine in Umfangsrichtung gleichmäßige Rautiefe tR bzw. Oberflächen-Rauigkeit Rz bereitstellbar ist.
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Sofern also im Aufrau-Prozess eine aktuelle Ist-Rautiefe des Formelementes F1 bis F6 eine vordefinierte Soll-Rautiefe tsoll übersteigt (11), erhöht sich die entgegen der Rotationsrichtung wirkende Belastung des jeweiligen Formelementes F1 bis F6. Dadurch erfolgt selbsttätig eine Ausgleichsbewegung des Formelementes F1 bis F6 mit dem Schwenkweg Δs um die Schwenkachse S von der durchmessergroßen Grundstellung G in Richtung der Ausgleichsstellung A. In der Ausgleichsstellung A bzw. in der Zwischenstellung Z ist der Durchmesser des Formprofils 12 des Formelementes F1 um ein Ausgleichsmaß Δa kleiner als der Durchmesser dG der Formprofil-Grundstellung G. Von daher wird im Aufrau-Prozess selbst bei Positionsungenauigkeiten des Rotations-Werkzeugs eine Anpassung vorgenommen, bei der in Umfangsrichtung durchgängig eine plastische Umformung der Werkstück-Oberfläche 33 mit konstanter Soll-Rautiefe tR durchgeführt wird, die die Oberflächen-Rauigkeit Rz definiert.
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Nach Erzeugung der Oberflächen-Rauigkeit im Honfreigang 5 wird das Rotations-Werkzeug um den Radialversatz Δr zurückgesteuert und koaxial zur Bohrungsachse B aus der Zylinderbohrung 3 herausgeführt.
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In der 12 ist ein Rotations-Werkzeug gezeigt, mit dem ein Glättungsprozess durchführbar ist, bei dem die Werkstück-Oberfläche 33 durch plastische Umformung mit einer äußert geringen Oberflächen-Rauigkeit Rz versehen werden kann. Der grundsätzliche Aufbau sowie die Wirkungsweise des in der 12 gezeigten Rotations-Werkzeugs ist im Wesentlichen identisch mit dem anhand der 1 bis 11 beschriebenen Rotations-Werkzeug.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist in der 12 das Formprofil 12 des Formelements F1 keine Längsprofilkante auf. Vielmehr ist das Formprofil 12 als eine Formrolle realisiert. Die Formrolle 12 ist um eine Rollen-Achse C achsparallel zur Werkzeugachse R in dem Formelement F1 drehgelagert. Der Formrollen-Außenumfang ist in der 12 glattzylindrisch ausgebildet, so dass die Werkstück-Oberfläche 33 in einem Rollierverfahren bis auf eine äußerst geringe Oberflächen-Rauigkeit Rz durch plastische Umformung geglättet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkurbelgehäuse
- 3
- Zylinderbohrung
- 5
- Honfreigang
- 7
- Bohrungsgrund
- 6
- Nutboden
- 11
- Werkzeugschaft
- 12
- Formprofil
- 13
- Werkzeugspitze
- 14
- Längsprofilkante
- 15
- Formzähne
- 16
- Profilgrund
- 17
- Nabenabschnitt
- 19
- Drehfederstab
- 21
- Stabende
- 23
- Lagerplatte
- 25
- schaftseitiges Stabende
- 27
- Tragring
- 29
- vorgelagerter Drehanschlag
- 31
- nachgelagerter Drehanschlag
- 33
- Werkstück-Oberfläche
- 34
- übermäßig großer Materialeingriff
- F1 bis F6
- Formelemente
- tB
- Bohrungstiefe
- dn
- Nutbodendurchmesser
- dz
- Zylinderbohrungsdurchmesser
- h
- Profilhöhe
- Δs
- Schwenkweg
- Δa
- Ausgleichsmaß
- S
- Schwenkachse
- Rz
- Oberflächen-Rauigkeit
- B
- Bohrungsachse
- C
- Rollenachse
- tR
- Rautiefe
- Z
- Zwischenstellung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017213045 A1 [0008]
- DE 102013018899 A1 [0008]
- DE 102015226062 A1 [0008]
