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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Innenrund-Einstechschleifen von Zylinderlaufbahnen in Zylinderbohrungen mit einem rotierenden Schleifwerkzeug. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Innenrund-Einstechschleifen von Zylinderlaufbahnen mit einem rotierenden Schleifwerkzeug.
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Bei Zylinderbohrungen in Kurbelgehäusen bzw. Motorblöcken eines Verbrennungsmotors ist es allgemein bekannt und üblich, dass reibungsminimierende Schichten auf die Zylinderlaufbahnen aufgetragen werden, beispielsweise durch Lichtbogendrahtspritzen (LDS), Plasmaspritzen oder dergleichen. Im Betrieb des Verbrennungsmotors sorgt dies für eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit auch des Schadstoffausstoßes. In der heutigen Praxis ist es dabei üblich, solche reibungsmindernden Schichten als Zylinderlaufbahnen in Zylinderbohrungen nach der Beschichtung, insbesondere mittels Lichtbogendrahtspritzen mit definierter Schneide nachzubearbeiten, beispielsweise durch ein Feindrehen und/oder Honen der Zylinderlaufbahnen.
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Die reibungshemmenden Schichten, welche überwiegend auf Legierungen aus Eisen- oder Stahlwerkstoffen basieren, werden im Betrieb des Verbrennungsmotors dabei hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Dies kann zu einer vorzeitigen und/oder übermäßigen Korrosion führen. Falls es dazu kommt, geht mit dieser Korrosion der Nachteil einer verringerten Standzeit einher. Um nun der vorzeitigen und/oder übermäßigen Korrosion entgegenzuwirken, werden zunehmend korrosionsbeständige bzw. hochlegierte Schichten hergestellt, also dementsprechende Materialien eingesetzt, um die Beschichtung beispielsweise durch das oben angesprochene Lichtbogendrahtspritzen aufzutragen. Damit ergibt sich jedoch der Nachteil, dass eine Nachbearbeitung mit definierter Schneide beispielsweise durch Feindrehen und/oder Honen bei diesen hochlegierten Schichten aufgrund der extremen Werkstoffhärte dieser Schichten nicht zuverlässig funktioniert, da die Schichten sich schlecht zerspanen lassen. Dies führt einerseits zu Nachteilen bei der Bearbeitung selbst als auch zu einer extrem kurzen Standzeit der Werkzeuge, welche starkem abrasivem Verschleiß ausgesetzt sind.
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Eine grundlegende Alternative wären hier Bearbeitungsverfahren mit undefinierter Schneide, also insbesondere Schleifverfahren.
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Die
DE 1 279 500 A1 beschreibt eine Innenschleifvorrichtung für lange Bohrungen mit einem Werkstücksupport und einem relativ dazu in Achsrichtung der Bohrung bewegbaren und quer zur Achsrichtung der Bohrung verschwenkbaren Schleifspindelstock mit einer fliegend gelagerten Spindel. Der Durchmesser dieser Spindel nimmt von einem Höchstwert in der Nähe der Spindeleinspannung in Richtung zur Schleifspitze hin ab. Die Schwenkachse des Spindelschleifstocks liegt in einer senkrechten Bohrungsachse, die Spindel liegt in etwa an einer Stelle, wo der Spindeldurchmesser gleich dem Durchmesser der Bohrung ist. Hierdurch lässt sich eine schleifende Bearbeitung einer langen Bohrung vornehmen. Ähnliche Aufbauten sind aus ferner aus der
US 2 647 348 A sowie der
US 3 002 608 A bekannt.
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Daneben beschreibt die
DE 10 2018 217 588 A1 ein Schleifwerkzeug sowie eine Anordnung und ein Verfahren zum Innenrundschleifen eines Werkstücks. Ein ähnlicher Aufbau bezogen auf das Innenrund-Schälschleifen ist aus der
DE 10 2017 217 130 A1 bekannt. Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die
DE 2 313 838 A1 sowie die
EP 0 309 785 B1 hingewiesen werden.
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Bei vielen dieser Aufbauten aus dem Stand der Technik ist es dabei so, dass sich sowohl das Schleifwerkzeug als auch das Werkstück entsprechend dreht. Es erfolgt entweder eine axial oszillierende Bewegung des Werkzeugs bei radialer Zustellung, man sprich dann vom sogenannten Längsschleifen, oder eine radiale Zustellung, man spricht dann vom Einstechschleifen. Die Bearbeitungsschritte werden dabei immer auf einer speziellen Schleifmaschine durchgeführt, was die Handhabung im Rahmen einer Serienproduktion außerordentlich aufwändig, komplex und damit teuer macht.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Innenrund-Einstechschleifen von Zylinderlaufbahnen mit einem rotierenden Schleifwerkzeug anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen in der Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die Erfindung wird außerdem durch ein Verfahren zum Innenrund-Einstechschleifen von Zylinderlaufbahnen mit einem rotierenden Schleifwerkzeug gemäß Anspruch 6 gelöst. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Innenrund-Einstechschleifen von Zylinderlaufbahnen ist es so, dass das rotierende Schleifwerkzeug von einem in mindestens vier Achsen beweglichen Bearbeitungszentrum geführt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt also keine eigene Maschine für das Schleifen, sondern kann über ein Vier-Achsen- oder Fünf-Achsenbearbeitungszentrum das Schleifwerkzeug unmittelbar führen, um die entsprechende Bearbeitung der Zylinderbohrungen, insbesondere LDS-beschichteter Zylinderlaufbahnen, vorzunehmen.
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Das Schleifwerkzeug selbst kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Schleifwerkzeug mit einer zylindrischen Kontur mit konstantem Durchmesser aufgebaut sein. Anders als die Schleifwerkzeuge aus dem Stand der Technik sind hier also keine kegelförmigen Abschnitte vorgesehen. Das Schleifwerkzeug kann mit dieser zylindrischen Kontur eine zuverlässige und maßgenaue Bearbeitung der Zylinderlaufbahnen gewährleisten, wobei die Zustellung entsprechend einfach senkrecht zur Rotationsachse in radialer Richtung erfolgen kann, um die gewünschte Bearbeitung vorzunehmen. Ungeachtet dessen kann eine Zustellung in axialer Richtung überlagert sein. Vorzugsweise wir der Schleifzylinder jedoch mit einer so großen Nutzlänge ausgeführt, dass auf eine axiale Zustellung gänzlich verzichtet werden kann. Dies bietet Vorteile bezüglich der Bearbeitungszeit und der erzielbaren Genauigkeit.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass der Schleifzylinder des Schleifwerkzeugs wenigstens eine spiralförmige entlang des Schleifzylinders verlaufende Nut aufweist, welche über Bohrungen mit einem Kühlmedienkanal im Inneren des Schleifzylinders verbunden ist. Über eine solche spiralförmig umlaufende Nut, insbesondere mehrere spiralförmig umlaufende Nuten, welche in der Art eines mehrgängigen Gewindes um den Zylinder verlaufen, lässt sich eine gute Zufuhr des Kühlmediums gewährleisten. Insbesondere können die spiralförmigen Nuten gleichmäßig um den Umfang des Zylinders verteilt angeordnet sein und über die Höhe des Zylinders weniger als eine Umdrehung um den Umfang des Zylinders aufweisen, sodass also ein relativ steiler Verlauf der Nuten bei gleichmäßiger Verteilung um den Zylinder gewährleitstet ist. Die Steigung des mehrgängigen Gewindes ist dann also größer oder gleich der Nutzlänge des Schleifzylinders. Hierdurch werden einerseits größere zusammenhängende Flächen des Schleifmaterials zwischen den Nuten gewährleistet und gleichzeitig eine gute Kühlung durch das über die Bohrungen und Nuten zugeführten Kühlmedium. Dies erlaubt eine ideale Bearbeitung bei sehr guter Maßhaltigkeit und minimaler Belastung des Schleifwerkzeugs einerseits und der bearbeiteten Zylinderlaufbahn andererseits.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann als Schleifmedium dabei kubisches Bornitrid eingesetzt werden. Dieses Schleifmedium weist eine entsprechend hohe Härte auf und ist am Markt einfach erhältlich und effizient einzusetzen. Es gewährleistet einen guten Abtrag auch bei harten Materialien und erlaubt so eine lange Standzeit des Werkzeugs einerseits und eine qualitativ hochwertige und maßhaltige Bearbeitung der Zylinderlauffläche andererseits.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das kubische Bornitrid dabei in einer Lage galvanisch gebunden oder in mehreren Lagen in metallischer Bindung auf dem Schleifwerkzeug vorliegen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Innenrund-Einstechschleifen von Zylinderlaufbahnen mit einem rotierenden Werkzeug sieht es vor, dass das zylindrisch ausgebildete Schleifwerkzeug von einem in mindestens vier Achsen beweglichen Bearbeitungszentrum gegenüber dem feststehenden Werkzeug geführt wird. Die Verarbeitung wird also aus dem Bereich eigens hierfür entwickelter Maschinen in dem Bereich eines Vier- oder Fünf-Achsenbearbeitungszentrums verlagert. Das Werkstück kann nun feststehen, was bei großen Werkstücken, wie ein Zylinderblock sie typischerweise darstellt, von besonderem Vorteil ist. Die Bewegung des Werkzeugs erfolgt dann über das Bearbeitungszentrum, welches Drehzahlen und Vorschub des Werkzeugs numerisch gesteuert sehr effizient und genau regeln kann.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Werkzeug mit der maximalen für das entsprechende Werkzeug zulässigen Spindeldrehzahl rotiert und auf einer Bahn entlang der Zylinderbohrung geführt. Hierdurch wird ein einfaches und effizientes Bearbeiten mit dem durchgehend zylindrischen Schleifwerkzeug effizient möglich. Die Bahn ist dabei prinzipiell eine Kreisbahn um den Mittelpunkt des Zylinderbohrung, welche durch die radiale Zustellung jedoch immer etwas vergrößert wird. Über das Bearbeitungszentrum kann dabei durch eine numerische Programmierung die Bewegung auf der Kreisbahn sichergestellt werden, sodass eine Spindel des Bearbeitungszentrums mit dem Schleifwerkzeug die Kontur der Zylinderlaufbahn abfährt.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei ferner vor, dass die radiale Zustellung während der Bewegung auf der Bahn kontinuierlich erfolgt. Aus sich aneinanderreihenden mit jeder Zustellung größer werdenden Kreisbahnen wird somit eine spiralförmige Bahn bzw. Helixbahn. Das Bearbeitungszentrum bietet dabei die Möglichkeit, über eine kontinuierliche Zustellung in radialer Richtung die Kontur der Zylinderlaufbahn sehr maßhaltig und exakt auszuschleifen. Durch die kontinuierliche Zustellung werden außerdem die Kräfte auf das Werkzeug und das Werkstück minimiert, was sich ebenfalls positiv auf die Qualität und Maßhaltigkeit der Bearbeitung auswirkt.
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Dabei kann es gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass nach Abschluss der Bearbeitung die dann als Kreisbahn ausgebildete finale Bahn mehrfach ohne radiale Zustellung abgefahren wird. Es werden also sogenannte Ausfeuerumdrehungen ohne Zustellung vorgenommen, um im Endstadium der Bearbeitung die Schleifkräfte entsprechend zu reduzieren und eine hochwertige Qualität und Kontur der bearbeiteten Oberfläche zu gewährleisten.
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Wie bereits erwähnt lässt sich das Verfahren insbesondere zur Endbearbeitung von durch Lichtbogendrahtspritzen aufgetragenen reibungsminimierenden Beschichtungen auf Zylinderlaufbahnen einsetzen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäß Vorrichtung sowie des Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine dreidimensionale Darstellung eines möglichen Schleifwerkzeugs für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung; und
- 3 eine Draufsicht auf eine Zylinderbohrung und das darin befindliche Schleifwerkzeug zur Veranschaulichung des Bewegungsablaufs.
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In der Darstellung der 1 ist ein in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnetes Bearbeitungszentrum schematisch angedeutet. Es soll sich dabei um ein Vier- oder Fünf-Achsenbearbeitungszentrum handeln. Im rechten Bereich des Bearbeitungszentrums 1 ist ein mit 2 bezeichnetes Kurbelgehäuse bzw. ein Motorblock zu erkennen, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel vier einzelne Zylinderbohrungen 3 aufweist. Die Zylinderlaufflächen dieser Zylinderbohrungen 3 sollen dabei in einem vorgelagerten Beschichtungsprozess mittels Lichtbogendrahtspritzen mit einer reibungsmindernden Oberfläche beschichtet worden sein. In dem Bearbeitungszentrum 1 wird diese Beschichtung nun in dem hier dargestellten Fertigungsschritt mechanisch nachbearbeitet. Dazu dient ein Schleifwerkzeug 4, welches von dem Bearbeitungszentrum 1 auf einer rotierenden Spindel 5 geführt wird, um die Zylinderlaufbahnen in den Zylinderbohrungen 3 entsprechend nachzubearbeiten.
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Das in 2 in einer schematischen 3D-Darstellung gezeigte Schleifwerkzeug 4 kann dabei insbesondere eine Nutzlänge x zwischen einer Werkzeugaufnahme 10 und dem dieser gegenüberliegenden Ende 6 des Werkzeugs 4 aufweisen, welche ausreichend groß ist, um ohne axialen Vorschub die komplette Länge der Zylinderlaufbahn in den Zylinderbohrungen 3 bearbeiten zu können. Der Durchmesser des der Werkzeugaufnahme 10 vorgelagerten Schleifzylinders 11 Schleifwerkzeugs 4 ist dabei so gewählt, dass er kleiner als der Durchmesser der Zylinderbohrung ist. Über die Werkzeugaufnahme 10 erfolgt die Befestigung an der Spindel 5 des Bearbeitungszentrums 1. Außerdem kann dabei eine Anschluss an eine Kühlmedienversorgung des Bearbeitungszentrums 1 erfolgen. Das Kühlmedium kann beispielsweise über in eine zentrale Versorgungsbohrung 12 in dem Schleifwerkzeug 4 geleitet werden. Von der zentralen Versorgungsbohrung 12 gelangt das zugeführte Kühlmedium in mehrere spiralförmig um den Schleifzylinder 11 des Schleifwerkzeugs 4 umlaufende Nuten 8. Diese Nuten 8 in dazu über Bohrungen 9 mit der zentralen Versorgungsbohrung 12 für das Kühlmedium verbunden. Es tritt also vom Inneren des Schleifwerkzeugs 4 über die Bohrungen 9 in die Nuten 8 und kann sich während des Schleifprozesses zwischen der Zylinderlaufbahn und einer abrasiven Oberfläche 7 des Schleifwerkzeugs 4 entsprechend verteilen, um so eine ideale Bearbeitung bei hohen Standzeiten zu gewährleisten.
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Die abrasive Oberfläche 7 des Schleifwerkzeugs 4 soll dabei einschichtig galvanisch gebundene Körner aus kubischem Bornitrid (cBN) enthalten. Alternativ dazu könnten die Körner aus kubischem Bornitrid auf mehrlagig in einer metallischen Bindung gebunden im Bereich der Oberfläche 7 vorliegen.
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Das Werkzeug selbst kann dabei eine Gesamtlänge von ca. 200 mm bei einer Nutzlänge x b von in etwa 150 bis 160 mm aufweisen. Es kann über 40 bis 50 Bohrungen 9 zur Kühlmedienzufuhr verfügen und einen Durchmesser im zylindrischen Bereich des Schleifzylinders 11 von in etwa 65 mm aufweisen. Das kubische Bornitrid kann dabei mit Korngrößen B213, B128 vorliegen.
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Ein weiterer wichtiger Baustein für das Innenrund-Einstechschleifen der Zylinderbohrungen 3 stellt dabei ein NC-Schleifprogramm für das Bearbeitungszentrum 1 sowie die darin verfügbaren Einstellparameter dar. Das rotierende Schleifwerkzeug 4 wird mit der maximalen für dieses Schleifwerkzeug zugelassenen Spindeldrehzahl angetrieben und fährt innerhalb der Zylinderbohrung 3 eine der Zylinderbohrung folgende Bahn ab. Dies ist in der Darstellung der 3 in einer Schnittansicht von oben bei in die Zylinderbohrung 3 eingetauchtem Schleifwerkzeug 4 dargestellt. Eine Rotationsachse 13 des Schleifwerkzeugs 4 bzw. seines Schleifzylinders 11 liegt dabei versetzt zu einer Rotationsachse 14 der Zylinderbohrung 3. Die Rotation R des Schleifwerkzeugs 4 um seine Rotationsachse 13 ist durch einen Pfeil dargestellt. Das Schleifwerkzeug 4 führt parallel zu seiner Rotation R eine Art Kreisbewegung innerhalb der Zylinderbohrung 3 aus. Dabei erfolgt die radiale Zustellung des Schleifwerkzeugs 4 kontinuierlich innerhalb der Bewegung auf der Kreisbahn, so dass sich eine angedeutete spiralförmige Bahn bzw. Helixbahn 15 ergibt, mittels welcher die Oberfläche der Zylinderbohrung 3 abgefahren wird. Die Größe der Zustellung oder auch die Anzahl der Zustellungen im Falle einer nicht kontinuierlichen radialen Zustellung, sind prinzipiell variabel. Auch eine axiale Zustellung wäre an sich denkbar, durch eine ausreichende Nutzlänge x des Schleifwerkzeugs 4 kann auf sie jedoch auch verzichtet werden, was den Ablauf einfacher, schneller und hinsichtlich des Bearbeitungsergebnisses genauer macht.
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Typischerweise wird die Nachbearbeitung der Zylinderlaufbahnen bzw. ihrer LDS-Beschichtungen jeweils ein Schruppen, ein Schlichten sowie ein Feinschlichten nacheinander vorsehen. Im Anschluss an das Feinschlichten werden dann mehrere Ausfeuerumdrehungen realisiert, wobei ohne eine radiale Zustellung die Kreisbahn mehrfach abgefahren wird, um die Schleifkräfte zu reduzieren und die Qualität und Form der Oberfläche zu finalisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1279500 A1 [0005]
- US 2647348 A [0005]
- US 3002608 A [0005]
- DE 102018217588 A1 [0006]
- DE 102017217130 A1 [0006]
- DE 2313838 A1 [0006]
- EP 0309785 B1 [0006]
