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Die Erfindung betrifft eine Honleiste und ein Verfahren zur Herstellung einer Honleiste.
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Bei Honleisten unterscheidet man grundsätzlich zwei Bereiche, zum einen die herkömmlichen oder konventionellen, zum anderen die hochharten oder superabrasiven Beläge. Bei den herkömmlichen Honleisten werden Schneidkornarten wie Siliziumkarbid (grün), Edelkorund (weiß) oder Normalkorund, bei den hochharten Schneidmitteln Diamant oder CBN (Bornitrid) eingesetzt. In der industriellen Anwendung haben sich die superharten Schneidstoffe aufgrund ihrer Formhaltig- und Langlebigkeit für den Serienbetrieb zunehmend, zumindest für die ersten Honstufen mit größeren Abträgen, durchgesetzt. Die Standmenge, also die Anzahl der bearbeiteten Bohrungen pro Honleisten-Schneidbelag, liegt je nach Bedarfsfall bei konventionellen Honleisten im Bereich von zehn bis mehreren hundert und bei hochharten Honleisten im Bereich von tausend bis mehreren zehntausend. Nach heutigem Stand werden die konventionellen Honleisten mit den Schneidstoffen Siliziumkarbid (SiC) und Korund (Al2O3) nach wie vor mit der keramischen Bindung (Tonmaterialien, Feldspat), die hochharten Honleisten Diamant (C) und Bornitrid (CBN) metallgebunden im industriellen Serienbetrieb eingesetzt. Eine grundlegende Weiterentwicklung in der Herstellart, im Verbundsystem oder der Profilform kann bei Honleisten in den letzten 40 Jahren nicht festgestellt werden. Neben der hohen Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit einer Diamanthonleiste oder Bornitridleiste zeigen sich aber auch qualitative Nachteile. Die Honleisten zeigen beispielsweise Randzonenverformungen wie Blechmantel, Mikrograte, Materialüberlappungen, zugeschmierte Honriefen oder kein durchgängiges kommunizierendes Kanalsystem für Schmiermittel, welche durch die für das Schneidverhalten notwendigen hohen Anpressdrücke der metallgebundenen Diamanthonleisten oder Bornitridleisten verursacht werden. Um die Endqualität zu sichern wird derzeitig bei hochbeanspruchten Gleitführungen die letzte Honstufe dadurch noch häufig mit konventionellen leichtscheidenden Honleisten, keramischer gebundener Siliziumkarbid oder Korundleisten durchgeführt. Mit den weiter zunehmenden Qualitätsanforderungen bei Gleitführungen, wie beispielsweise in der Medizintechnik, in der aktuell hochgenaue Kugelführungen für Beatmungsgeräte benötigt werden, Kolbenlaufbahnen von Verdichtern und Motorengehäusen, hydraulischen und pneumatischen Steuergehäusen, Pumpenteilen, Flugzeugbauteilen und weiterem wird man mit metallgebundenen Diamanthonleisten oder Bornitridleisten den Herausforderungen zunehmend nicht mehr gerecht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Honleiste bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik beseitigt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Honleiste anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Honleiste umfasst einen schichtweise beispielsweise durch ein additives Verfahren aufgebauten Schneidbelag mit einer Schneidfläche. Der Schneidbelag kann insbesondere über eine Verbindungsschicht auf einer Grundleiste angeordnet sein, wobei der Schneidbelag beispielsweise über eine Haftschicht mit der Verbindungsschicht und diese über eine Schnittstelle mit der Grundleiste verbunden sein kann. Das additive Verfahren, wie beispielsweise ein 3D-Druckverfahren oder ein Stereolithographieverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass nahezu jede Geometrie erzeugt werden kann. Beispielsweise kann eine Schneidfläche des Schneidbelags durch Nuten unterbrochen und dadurch in mehrere kleinere Schneidflächen unterteilt werden, was eine Erhöhung der Schneidleistung, eine Verbesserung der Qualität zur Folge haben kann. Das Einbringen der Nuten in die Grundform des Schneidbelags hat den Vorteil, dass eine aufwendige Nachbearbeitung, wie sie beispielsweise bei gesinterten Schneidbelägen notwendig ist, vermieden oder zumindest minimiert werden kann. Der Schneidbelag kann mit der Haftschicht an der als Stahlsohle ausgebildeten Verbindungsschicht verbunden werden. Die Stahlsohle kann nachfolgend in die Grundleiste eingeklebt oder eingelötet werden. Mehrere dieser Honleisten können in ein Honwerkzeug eingesetzt werden, wobei die Honleisten im Honwerkzeug radial zugestellt werden können, also der Außendurchmesser des Honwerkzeuges angepasst werden kann. Das Honwerkzeug kann als abrasives Werkzeug verwendet werden, welches einen Abtrag durch eine Dreh-Hubbewegung im Werkstück bewirkt. Durch die Dreh-Hubbewegung kann beispielsweise bei der Herstellung von Zylinderinnenflächen eine typische Riefen- und Kreuzstrukturbildung erreicht werden, wodurch es zu einer vorteilhaften Verteilung des Schmierstoffes auf den Zylinderinnenflächen kommt.
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Insbesondere kann der Schneidbelag Diamant, Bornitrid, Siliziumcarbid oder Korundarten als Schneidstoff umfassen. Der Schneidstoff ist der Stoff, welcher den Abtrag am Werkstück bewirkt und wird im Fall von Schneidbelägen für Honleisten mit Bindern verbunden. Die keramisch gebundene Honleiste kann beispielsweise als Schneidstoff Siliziumkarbid (SiC) oder Korund (AI203) umfassen, wobei auch jede andere zum abrasiven Bearbeiten von Metall oder anderen Werkstoffen geeignete abrasive Schneidstoffart verwendet werden kann. Das Bornitrid kann beispielsweise als kubisch kristallines Bornitrid (CBN) vorliegen. Der Diamant und Bornitrid haben hohe Härte und hohe Standfestigkeit, welche sich auf die Werkzeugkosten positiv auswirken, so dass Diamant und Bornitrid zumindest für die ersten, hochbeanspruchten Honstufen bevorzugt zur Anwendung kommen können.
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Weiterhin kann der Schneidbelag metallische, keramische oder leitfähige keramische Binder umfassen. Insbesondere die Kombination eines keramischen Binders mit einem Diamantschneidstoff oder Bornitridschneidstoff hat den Vorteil, dass sich ein geringer Anpressdruck durch den porigen und porösen Binder und eine hohe Standfestigkeit auf Grund der harten Schneidkristalle kombinieren lassen.
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Daneben kann die Honleiste ein innenliegendes, insbesondere schneidbelagintegriertes Kühlsystem umfassen. Dieses führt einen Kühlschmierstoff, wie beispielsweise eine Emulsion oder ein Öl, direkt an die Schneidfläche heran, so dass die Menge an Kühlschmierstoff gegenüber einer Kühlung von außen verringert werden kann.
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Insbesondere kann die Schneidfläche als Freiformfläche ausgebildet sein. Diese kann durch Nuten oder Vertiefungen und Kammern ausbildet werden. Durch den schichtweisen Aufbau des Schneidbelags kann die Freiformfläche bereits bei der Herstellung der Grundform des Schneidbelags ausgebildet werden. In Abhängigkeit des verwendeten Binders können die im Honwerkzeug montierten Honleisten konventionell durch Rundschleifen aufbereitet bzw. konditioniert werden oder im Fall von elektrisch leitendem Binder mit Hilfe von Funkenerosion. Die Funkenerosion hat den Vorteil, dass diese definierte Schneidflächen erzeugt und eine geringere Durchlaufzeit als beim Schleifen erreicht werden kann, wodurch die Herstellkosten minimiert werden können.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Honleiste mit einem Schneidbelag und einer Schneidfläche wird der Schneidbelag mittels eines additiven Verfahrens erzeugt. Additive Verfahren, wie beispielsweise 3D-Druck oder Lasersintern haben den Vorteil, dass Bauteile mit hohem Individualisierungsgrad oder Bauteile mit einer komplizierten Geometrie hergestellt werden können. Dadurch können im Fall von Honleisten schmale Wandungen und Segmente realisiert werden, die kurze Kühlschmierstoffwege auf der Schneidfläche ermöglichen, wodurch ein entsprechend kurzer Spänetransportweg erreicht wird.
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Insbesondere kann die Schneidfläche der Honleiste als Freiformfläche ausgebildet sein. Durch das additive Verfahren können Freiformflächen hergestellt werden, bei welchen die Geometrie der Schneidfläche sowie die Führung der Kühlschmierstoffe beliebig angepasst und ohne aufwendige Herstellung von Formen, wie beispielsweise bei einem herkömmlichen Sinterprozess, realisiert werden können. Dadurch können Optimierungen oder individuelle Anpassungen der Schneidfläche schnell und mit geringen Werkzeugkosten realisiert werden.
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Weiterhin kann die Schneidfläche für das Kühlsystem auf Basis von Simulationen der Strömung eines zur Kühlung verwendeten Kühlschmierstoffes profiliert werden. Die Kühlschmierstoffströmung insbesondere über die Schneidfläche können anhand von Modellen, wie beispielsweise Finite Elemente Modelle simuliert werden und durch Tests analysiert und verifiziert werden. Wie weiter oben bereits beschrieben können Änderungen auf Grund der Herstellung mittels eines additiven Verfahrens einfach durch Anpassungen im 3D-CAD-Modell in die Fertigung eingebracht werden.
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Daneben kann die Schneidfläche nach der additiven Fertigung durch Funkenerosion nachbearbeitet werden. Dies ist immer dann möglich, wenn der Binder elektrisch leitfähig ist, also bei einem metallischen Binder und einem elektrisch leitendem keramischen Binder. Die Funkenerosion hat den Vorteil, dass die Bearbeitung im Gegensatz zu dem üblichen Schleifen in der Herstellung erheblich kostengünstiger ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
- 1a, b eine prinzipielle Darstellung einer Honleiste und des Honens aus dem Stand der Technik, und
- 2a-c je eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Honleiste.
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1a zeigt eine prinzipielle Darstellung einer Honleiste 3, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Honleiste 3 umfasst eine Grundleiste 4, welche eine Schnittstelle 5 zur Aufnahme eines als Stahlsohle 6 ausgebildeten Verbindungselementes umfasst. Auf der Stahlsohle 6 ist über eine Haftschicht 7 ein Schneidbelag 8 aufgebracht. Der Schneidbelag 8 umfasst ein Gemisch aus Schneidstoffen, wie beispielsweise Diamant, Bornitrid, Korund oder Siliciumkarbid, welche in sogenannten Bindern eingebettet sind. Die der Stahlsohle 6 gegenüberliegende Seite des Schneidbelags 8 ist die Schneidfläche 9, wobei der Abtrag am nicht dargestellten Werkstück durch die aus dem Binder herausragenden Bereiche der Schneidstoffe abrasiv bewirkt wird. Die Stahlsohle 6 wird in die Schnittstelle 5 eingeklebt oder eingelötet und kann, nachdem der Schneidbelag 8 abgenutzt ist, wieder aus der Schnittstelle 5 gelöst werden. Die Grundleiste 4 wird in der Folge mit einem neuen auf einer Stahlsohle 6 aufgebrachten Schneidbelag 8 bestückt. An der von dem Schneidbelag 8 abgewandten Unterseite der Honleiste 3 sind in der Grundleiste 4 Schrägen 10 ausgebildet, welche für eine radiale Zustellung der Honleisten 3 über ein Konussystem in einem Honwerkzeug verwendet werden. Die Zustellung wird in der 1b genauer beschrieben.
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In der 1b ist die Funktionsweise eines Honwerkzeuges 1 dargestellt, wobei das Honwerkzeug 1 in einem Werkstück 11 dargestellt ist. Das Honwerkzeug 1 umfasst einen Grundkörper 2, an welchem die Honleisten 3 angeordnet sind. Im dargestellten Beispiel sind sechs Honleisten 3 am Grundkörper 2 angebracht. Die Honleisten 3 können durch eine Zustellvorrichtung 13 radial nach außen bewegt werden, so dass das Honwerkzeug 1 einerseits nachgestellt werden kann und andererseits auch auf verschiedene Nenndurchmesser eines Werkstücks 11 eingestellt werden kann. Die Zustellung der Honleisten 3 ist in der 1b durch Pfeile angedeutet. Das Honwerkzeug 1 ist über einen Adapter mit einer nicht dargestellten Vorrichtung verbunden, welche derart ausgebildet ist, dass das Honwerkzeug 1 einerseits um ihre Längsachse 16 rotiert werden kann und andererseits auch eine Bewegung entlang der Längsachse, also eine Hubbewegung, ausführen kann. Das Honwerkzeug 1 rotiert beim Honen also um die eigene Längsachse 16 und wird im Werkstück in Richtung der der Längsachse 16 auf und ab bewegt.
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Wie auch in der 2a verdeutlicht, ergibt sich die Schnittrichtung der Honleisten 3 dabei aus der Drehbewegung und der Hubbewegung und liegt üblicherweise in einem Bereich von 30 Grad bis 90 Grad gegenüber der Längsachse 17 des Schneidbelags 9,. In der gezeigten Ausführungsform liegt der Winkel α ungefähr bei 45 Grad zur Längsachse 17. Dabei liegen die Schnittrichtungen beim Abwärtshub und beim Aufwärtshub nahezu senkrecht zueinander, wodurch eine typische Oberfläche aus einen Gitter von Rillen als Kreuzstruktur und dadurch ein kommunizierendes Kanalsystem entsteht.
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Die 2a bis 2c zeigen weiterhin verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Honleiste 3. Die durch ein additives Verfahren hergestellten Schneidbeläge 8 umfassen Nuten 14. Diese verkleinern einerseits die Schneidfläche 9 der Schneidbeläge 8, was sich vorteilhaft auf die Honleistung und die Qualität der gehonten Oberflächen auswirkt. Anderseits verkürzen die Nuten 14 den Weg eines Kühlschmierstoffes über der Schneidfläche 9, so dass die Kühlung und durch die kurzen Spänetransportwege der Abtransport der Späne verbessert werden kann. Die Nuten 14 können insbesondere eine Breite von 0,5 bis 2 Millimeter, insbesondere 1 Millimeter haben, bei einer beispielhaften Breite der Honleiste von 4 Millimetern. Die Ausführungsformen sind nur ein Ausschnitt von den nahezu beliebigen Möglichkeiten, welche durch die Flexibilität der additiven Fertigung gegeben sind.
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2a zeigt eine Honleiste 3 mit einer entlang der Längsachse 17 der Schneidfläche 9 ausgebildeten Nut 14. Die Nut 14 erstreckt sich dabei über die gesamte Länge der Schneidfläche 9. In der in der Figur nicht gesondert bezeichneten Grundleistenradialführung des ebenfalls nicht gesondert bezeichneten Werkzeugkörpers sind neben dem Schneidbelag 8 Austritte 15 für Kühlschmierstoffe ausgebildet. Durch diese tritt von einem in dem Honwerkzeug 1 integrierten innenliegenden Kühlsystem bereitgestellter Kühlschmierstoff aus und wird durch die Schnittbewegung 18.1, 18.2 der Honleiste 3 über die Schneidfläche 9 geführt. Der Kühlschmierstoff kann dabei mit den mitgeführten Spänen in der Nut zu den Enden der Schneidfläche abgeführt werden. Die kleineren Schnittflächen 9 und die dazwischenliegenden Nuten 14 verbessern die Kühl-, Schmier- und Spülwirkung des Kühlschmierstoffes, wodurch der für eine effektive Kühlung erforderliche Volumenstrom des Kühlschmierstoffes gegenüber dem Stand der Technik verringert werden kann.
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2b zeigt eine weitere Ausführungsform einer Honleiste 3, wobei im Unterschied zu der in 2a gezeigten Ausführungsform die Richtung der Nut 14 senkrecht zur Längsachse 17 des Schneidbelags 8 ausgebildet ist. Um die gesamte Schneidfläche 9 zu unterteilen, sind daher mehrere Nuten 14 ausgebildet, die die Schneidfläche wiederum die Schneidfläche 9 der Schneidbeläge 8 vorteilhaft verkleinert. Die Austritte 15 für den Kühlschmierstoff und deren Funktionsweise sind zu der bei 2a bereits beschriebenen identisch.
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2c zeigt eine weitere Ausführungsform einer Honleiste 3, wobei die Nuten 14 in Richtung der Schnittbewegung verlaufen, welche sich durch die Rotation um die Längsachse 18 und die alternierende Hubbewegung ergeben. Daneben sind die Nuten 14 auf einer Seite geschlossen, so dass der Kühlschmierstoff im gezeigten Ausführungsbeispiel am geschlossenen Ende der Nut 14 aufgestaut wird und durch den entstehenden Überdruck zwischen die Schneidfläche 9 und das Werkstück 11 (nicht dargestellt) gepresst wird. Prinzipiell sind durch das erfindungsgemäße Verfahren, also die Schneidbeläge mit einem additiven Verfahren herzustellen, die möglichen Formgebungen der Schneidflächen 9 und korrespondierend der Nuten 14 nahezu unbegrenzt und können beispielsweise nach einer Strömungssimulation des Kühlschmierstoffes noch weiter angepasst werden. Es sind insbesondere auch nicht gerade verlaufende, also beispielsweise gebogene oder abgewinkelte Nuten 14 denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Honwerkzeug
- 2
- Grundkörper
- 3
- Honleiste
- 4
- Grundleiste
- 5
- Schnittstelle
- 6
- Stahlsohle
- 7
- Haftschicht
- 8
- Schneidbelag
- 9
- Schneidfläche
- 10
- Schräge
- 11
- Werkstück
- 12
- Adapter
- 13
- Zustellvorrichtung
- 14
- Nut
- 15
- Kühlschmierstoffaustritt
- 16
- Längsachse Honwerkzeug
- 17
- Längsachse Schneidbelag
- 18.1, 18.2
- Schnittrichtung
- α
- Winkel der Schnittrichtung zur Längsachse
