DE10258143B4

DE10258143B4 - Verfahren und Honvorrichtung zur Honbearbeitung

Info

Publication number: DE10258143B4
Application number: DE2002158143
Authority: DE
Inventors: Uwe-Peter Dr.-Ing. Weigmann
Original assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: DE10258143A1

Abstract

Verfahren zur Honbearbeitung einer Innenfläche einer eine Bohrungsachse aufweisenden Bohrung in einem Pleuel mit Hilfe eines Honwerkzeugs mit folgenden Schritten:
– Zusammendrücken des Pleuels im Bereich der Bohrung quer zur Bohrungsachse mit einer zur ovalen Verformung des Bohrungsquerschnitts ausreichenden Spannkraft in einer im Wesentlichen senkrecht zur Pleuellängsachse verlaufenden Spannrichtung;
– Feinbearbeiten der Innenfläche der Bohrung im zusammengedrückten Zustand mit Hilfe des Honwerkzeugs zur Erzeugung eines im Wesentlichen kreisrunden Bohrungsquerschnitts;
– Wegnahme der Spannkraft zur Entlastung des zusammengedrückten Bereichs der Bohrung, wodurch in einem im Wesentlichen unbelasteten Pleuel eine Bohrung mit einer ovalen Querschnittsfläche entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Honbearbeitung einer Innenfläche einer eine Bohrungsachse aufweisenden Bohrung in einem Pleuel mit Hilfe eines Honwerkzeugs sowie eine Honvorrichtung zur Honbearbeitung einer solchen Innenfläche einer Bohrung in einem Peuel und weiterhin ein Pleuel mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 12.
Bei einer Gleitlagerung eines Zapfens oder Bolzens in einer Bohrung sollte die Lagerung derart ausgebildet sein, dass bei allen Betriebsbedingungen unter Last eine weitgehend gleichmäßige Flächenpressung zwischen Zapfen und Bohrung gegeben ist, um die auf die Lagerung wirkenden äußeren Kräfte gleichmäßig übertragen zu können und den Verschleiß der Lagerung zu minimieren. Unter Last kann es zu einer Verformung der Bohrungsinnenwand und des Zapfens kommen. Bei den gängigen Bohrungen mit zylindrischer Kontur kann dies dazu führen, dass sich Bohrungsinnenwand und Zapfen unterschiedlich stark verformen und eine gleichmäßige Flächenpressung unter Last nicht mehr ge währleistet ist. Es kann vielmehr zu einem lokal erhöhten Festkörperkontaktdruck zwischen Zapfen und Bohrung kommen.
Es ist bekannt, dass der maximale Festkörperkontaktdruck Einfluss auf den Verschleiß der Lagerung hat. Untersuchungen von Knoll et al., dargestellt in Fahrzeugtechnik 62/1ff (Tagungsbericht), haben ergeben, dass sich der Festkörperkontaktdruck durch eine Breitenkonturierung der Lagerbohrung beeinflussen lässt. Eine Breitenkonturierung der Lagerbohrung ergibt sich beispielsweise dadurch, dass die Innenflächen der Bohrung „ballig”, d. h. konvex zur Bohrungachse wölbend, ausgebildet werden. Bei einer optimalen Abstimmung zwischen Lagersteifigkeit und Breitenkontur lässt sich der unter Last auftretende maximale Festkörperkontaktdruck minimieren. Dadurch wird eine erhöhte Verschleißsicherheit der Lagerung erreicht.
Die Patentschrift DE 102 47 130 B4 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange mit einem kleinen Pleuelauge zur Aufnahme eines Kolbenbolzens, wobei u. a. eine ovale Querschnittsform der Bohrung des kleinen Pleuelauges während einer Honoperation erzeugt wird. Dazu wird während der Honbearbeitung eine Kraft aufgebracht, die parallel zur Längsachse des Pleuels ausgerichtet ist. Dadurch entsteht vor der Bearbeitung ein elliptischer Bohrungsquerschnitt, dessen längere Achse senkrecht zur Längsachse des Pleuels verläuft, so dass nach Beendigung der Honbearbeitung und Druckentlastung die Bohrung des Pleuelauges eine ovale Bohrungsform hat, deren längerer Durchmesser parallel zur Längsachse des Pleuels ausgerichtet ist.
In der Offenlegungsschrift DE 199 11 339 A1 wird eine Lageranordnung in einer Pleuelstange mit vorzugsweise konischem Pleuelauge beschrieben. Das Lager im Pleuelauge weist einen ovalförmigen Querschnitt auf, dessen kleinster Durchmesser so bemessen ist, dass der Kolbenbolzen mit Spiel geführt ist und dessen größter Durchmesser sich quer zur Längsachse der Pleuelstange erstreckt und so bemessen ist, dass eine Querverformung des im Pleuelauge befindlichen Kolbenbolzens unter Last nicht begrenzt ist. Das Pleuelauge ist üblicherweise mit einer Gleitlagerbuchse versehen, so dass die Innenfläche der Gleitlagerbuchse als Gleitpartner für den Kolbenbolzen dient. Es werden keine Angaben zur Herstellung des Pleuels gemacht.
Die Patentschrift DE 28 10 322 C2 beschreibt Verfahren zur Honbearbeitung von Bohrungsinnenflächen, insbesondere zum Honen der Bohrungen von Zylinderblöcken, wobei beim Honen ein Spannteil verwendet wird, mit welchem das Werkstück für die Honbearbeitung in einen definierten Verspannungszustand gebracht werden kann.
Aufgabe und Lösung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Honvorrichtung zur Honbearbeitung gemäß der eingangs erwähnten Art zu schaffen, durch die Werkstückbohrungen erzeugt werden können, die gegenüber dem Stand der Technik unter Einsatzbedingungen eine gleichmäßigere Flächenpressung gewährleisten, falls die Werkstückbohrung beispielsweise als Teil einer Gleitlagerung aus Zapfen und Bohrung eingesetzt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vor. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Werkstück im Bereich der Bohrung quer zur Bohrungsachse mit einer zur ovalen elastischen Verformung des Bohrungsquerschnitts ausreich chenden Spannkraft zusammengedrückt wird. Die Innenfläche der Bohrung wird im zusammengedrückten Zustand mit Hilfe des Honwerkzeuges zur Erzeugung eines im wesentlichen kreisrunden Bohrungsquerschnitts feinbearbeitet. Danach wird die Spannkraft zur Entlastung des zusammengedrückten Bereichs der Bohrung weggenommen, wodurch in einem im wesentlichen unbelasteten Werkstück eine Bohrung mit einer ovalen Querschnittsfläche entsteht.
Es ist bekannt, dass sich Werkstücke unter Last entsprechend ihrer Werkstoffeigenschaften elastisch und/oder plastisch verformen. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Bohrungen haben im unbelasteten, im wesentlichen spannkraftfreien Zustand des Werkstücks einen ovalen Querschnitt. Sie unterscheiden sich dadurch von der gängigen, zylindrischen Bohrungsgeometrie. Unter Einsatzbedingungen, wenn äußere Kräfte auf das Werkstück wirken, kann sich das erfindungsgemäß hergestellte Werkstück derart verformen, dass dann wieder ein im wesentlichen kreisrunder Bohrungsquerschnitt entsteht. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die elliptische Bohrung in Bezug auf die Hauptbelastungsrichtung des Werkstückes so angeordnet wird, dass die kurze Ellipsenachse im wesentlichen parallel zu einer Zugrichtung und die längere Ellipsenachse senkrecht zu dieser ausgerichtet ist. Dadurch kann erreicht werden, dass sich bei Zugbeanspruchung die „kurze Ellipsenachse verlängert” und sich die „lange Ellipsenachse verkürzt” bis ein im wesentlichen kreisrunder Querschnitt erreicht wird. Bei den gängigen zylindrischen Bohrungen entsteht dagegen unter Last ein ovaler Querschnitt. Der unter Last ausgebildete kreisrunde Bohrungsquerschnitt besitzt demgegenüber den Vorteil, dass falls die Bohrung beispielsweise als Teil einer Lagerung aus Zapfen und Bohrung eingesetzt wird, eine im wesentlichen gleichmäßige Flächenpressung zwischen Zapfen und Bohrung möglich wird. Es kann also eine hohe Form- und Maßhaltigkeit unter Last erreicht werden. Beispielsweise kann ein Pleuel mit oval geformter Bohrung im kleinen Pleuelauge in Verbindung mit einem Kolbenbolzen eingesetzt werden, so dass die beim Betrieb des Kolbens herrschenden Kolbenkräfte die Bohrung wieder im wesentlichen kreisrund ausbilden.
Als Maß für die Abweichung der Querschnittsfläche der Bohrung von der Kreisrundheit kann eine Ovalität genommen werden. Die Ovalität liegt insbesondere signifikant oberhalb der durch Fertigungstoleranzen entstehenden Abweichungen von der Kreisrundheit der Bohrungsquerschnittsfläche. Die Ovalität kann beispielsweise als Hälfte der Differenz zwischen einer langen und einer kurzen Achse der im unbelasteten Endzustand des Werkstücks gebildeten Bohrungs-Ellipse angegeben werden. Die Ovalität kann im Bereich zwischen 5 μm und 30 μm, insbesondere zwischen 10 μm und 20 μm liegen.
Das Zusammendrücken des Werkstückes kann mittels einer fluidtechnisch erzeugten Spannkraft erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung der Spannkraft pneumatisch, insbesondere mittels eines Pneumatikzylinders. Es ist aber auch denkbar, die Spannkraft hydraulisch zu erzeugen. Alternativ ist es möglich, die Spannkraft mechanisch, insbesondere motorisch, beispielsweise mittels eines Schrittmotors oder Servomotors mit Getriebe, das eine Rotationsbewegung in eine Linearbewegung umwandelt, zu erzeugen.
Zur Erzeugung der Spannkraft ist vorzugsweise eine Werkstück-Spannvorrichtung vorgesehen, in die das Werkstück eingespannt werden kann. Die Spannkraft wird dabei auf das Werkstück im Bereich seiner elastisch zu verformenden Bohrung eingeleitet. Die Spannvorrichtung kann Anlageflächen für das Werkstück aufweisen, die die Bohrung beidseitig, beispielsweise zangenförmig, umgreifen, so dass eine im wesentlichen beidseitige gleichmäßige Krafteinleitung möglich ist. Die während des Zusammendrückens auf das Werkstück eingeleitete Spannkraft hängt wesentlich vom Werkstückmaterial bzw. von der Werkstück geometrie ab und ist so zu wählen, dass die Verformung des Bohrungsbereichs weitgehend reversibel ist; es sollte unter Vermeidung von plastischer Verformung eine weitgehend elastische Verformung durchgeführt werden. Sie kann beispielsweise im Bereich von 0,3 kN bis 3 kN, insbesondere 0,7 kN bis 1 kN, liegen. Die Spannkraft ist vorzugsweise während des gesamten Spannvorgangs gleich groß. Es ist alternativ auch möglich, die Spannkraft von einem Ausgangswert am Anfang des Spannvorgangs auf einen Maximalwert, der eine bestimmte Zeit gehalten wird, zu steigern.
Vorzugsweise wird erst dann feinbearbeitet, wenn eine zuvor bestimmte Endovalität der Bohrung durch das Zusammendrücken erreicht ist. Obwohl die Spannkraft beim Feinbearbeiten aufrechterhalten wird, findet eine weitere elastische Verformung der Bohrung nicht mehr statt. Alternativ ist es möglich feinzubearbeiten, während die Bohrung verformt wird, also ihren Querschnitt ändert.
Um zu verhindern, dass das Werkstück schief in die Spannvorrichtung eingespannt und dadurch die Spannkraft möglicherweise unsymmetrisch eingeleitet wird, was zu einer unerwünscht unsymmetrischen Verformung der Bohrung führen könnte, ist eine Lagerung für das Werkstück vorgesehen, so dass es sich unter Einwirkung der Spannkraft relativ gegenüber einer Werkstück-Halteeinrichtung im wesentlichen quer zu einer Spannkrafteinleitungsrichtung ausrichten kann.
Weiter umfasst die Erfindung eine Honvorrichtung zur Honbearbeitung einer Innenfläche einer eine Bohrungsachse und einen Bohrungsquerschnitt aufweisenden Bohrung in einem Werkstück. Es ist eine Werkstück-Halteeinrichtung zur Halterung des Werkstücks vorgesehen. Dabei wird das Werkstück derart gehaltert, dass die Bohrungsachse in eine Achsrichtung der Werkstück-Halteeinrichtung ausgerichtet ist. Es ist eine Werkstück-Spannvorrichtung zur Einspannung eines die Bohrung ent haltenden Werkstückabschnitts mit einer quer zur Achsrichtung wirkenden Spannkraft vorgesehen, wobei eine Spannkraft erzeugbar ist, die zur ovalen Verformung eines Bohrungsquerschnitts ausreicht.
Für Details zur Ausbildung der Honvorrichtung wird auf die vorgehende Beschreibung sowie die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels verwiesen.
Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischenüberschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer allgemeinen Gültigkeit.
Figuren und Funktionsbeschreibung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Honvorrichtung mit einer Werkstückhalteeinrichtung zur Erzeugung einer Breitenkonturierung einer Werkstückbohrung;
2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Honvorrichtung mit einer Werkstück-Spannvorrichtung zur Erzeugung eines ovalen Bohrungsquerschnitts;
3 zeigt schematisch eine ersten Verfahrensschritt eines erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung einer Breitenkonturierung einer Werkstückbohrung;
4 zeigt schematisch einen zweiten Verfahrensschritt des Verfahren zur Erzeugung einer Breitenkonturierung einer Werkstückbohrung;
5 zeigt schematisch einen dritten Verfahrensschritt des Verfahren zur Erzeugung einer Breitenkonturierung einer Werkstückbohrung;
6 zeigt schematisch einen Ausgangszustand eines Werkstücks vor der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines ovalen Bohrungsquerschnitts;
7 zeigt schematisch einen ersten Verfahrensschritt des Verfahrens zur Erzeugung eines ovalen Bohrungsquerschnitts;
8 zeigt schematisch einen zweiten Verfahrensschritt des Verfahrens zur Erzeugung eines ovalen Bohrungsquerschnitts;
9 zeigt schematisch einen Endzustand des Werkstücks nach Beendigung des Verfahrens zur Erzeugung eines ovalen Bohrungsquerschnitts.
Honvorrichtung
Die 1 zeigt eine Werkstückhalteeinrichtung 12 als wesentliches Elemente einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Honvorrichtung 11. Mit der Werkstückhalteeinrichtung 12 läßt sich das Verfahren zur Erzeugung einer Breitenkonturierung der Bohrung durchführen.
Die Werkstückhalteeinrichtung 12 dient als Halterung für ein zu bearbeitendes Werkstück 13, beispielsweise eines Pleuels. Die Werkstückhalteeinrichtung 12 hat eine Grundplatte 25, Anschlagelemente 26, einen Lagerbock 27 und eine kippbar bzw. schwenkbar am Lagerbock 27 gelagerte Wippe 28. Die Anschlagelemente 26 sind in gleichen Abständen beidseits des Lagerbocks 27 an der Grundplatte 25 befestigt. Sie dienen zur Begrenzung des Kippwegs beim Auskippen der Wippe 28. Durch die Anordnung der Anschlagelemente 26 im gleichen Abstand vom Lagerbock 27 wird erreicht, dass die Wippe auf beiden Seiten gleich weit auskippt. Der Lagerbock 27 ist mittig an der Grundplatte 25 befestigt und umgreift die Wippe 28 beidseitig. Wie in 9 dargestellt, können am Lagerbock 27 Stifte 29 vorgesehen sein, die in eine Aufnahme 29 an der Wippe 28 eingreifen und um die sich die Wippe 28 drehen kann. Es wird also eine Kipplagerung mit einer Kippachse 30 für die Wippe 28 gebildet. Die Wippe 28 kann als ebene Platte ausgebildet sein. Das zu bearbeitende Werkstück kann auf der Wippe 28 mittels nicht näher dargestellten Befestigungs- bzw. Halteelementen lösbar befestigt werden. Die Wippe 28 besitzt an ihrer Oberseite eine Ausnehmung 47, über der das kleine Pleuelauge 17 befestigt wird, so dass das Honwerkzeug 16 beim Abwärtshub durch die Bohrung 15 hindurch- und am ausführseitigen Endbereich 43 zumindest teilweise ausfahren kann. Die Wippe 28 kann beim Honbearbeiten der Bohrung 15 des Werkstücks 13 in einer nachfolgend näher beschriebenen Weise Kippbewegungen bzw. Schwenk bewegungen um die Kippachse 30 ausführen, die durch die Anschlagelemente 26 begrenzt werden.
Das in 1 dargestellte, zu bearbeitende Werkstück 13 besitzt wenigstens eine Bohrung 15, die durch ein Honwerkzeug 16 bei einem Honvorgang feinbearbeitet wird. Die Bohrung 15 besitzt in ihrem Ausgangszustand einen im wesentlichen kreisrunden Bohrungsquerschnitt. Die Bohrung 15 weist eine Bohrungsachse 40 und eine vorbearbeitete weitgehend zylindrische Innenfläche 22 auf. Das Honwerkzeug 16 wird über einen einführseitigen Endbereich 42 der Bohrung 15 eingeführt und kann an einem ausführseitigen Endbereich 43 zumindest teilweise wieder austreten. Zu beiden Seiten der Bohrungsachse 40 befinden sich im einführseitigen Endbereich 42 Umfangsabschnitte 44a, 44b und im ausführseitigen Endbereich 43 weitere Umfangsabschnitte 44c, 44d, die, wie nachfolgend näher beschrieben, durch das Honwerkzeug 16 intensiv bearbeitet werden. Das Werkstück 13 kann beispielsweise, wie in den 1 bis 9 dargestellt, ein Pleuel sein. Das Pleuel besteht im wesentlichen aus einem kleinen Pleuelauge 17, einem großen Pleuelauge 18 und einer Pleuelstange 19, die das kleine und das große Pleuelauge 17, 18 miteinander verbindet. Das große Pleuelauge 18, auch Pleuelfuß genannt, ist dafür vorgesehen, mit einer Kurbelwelle eines Motors verbunden zu werden. In die Bohrung 15 des kleinen Pleuelauges, auch Pleuelkopf genannt, wird beispielsweise ein Kolbenbolzen eines Kolbens aufgenommen. Der Kolbenbolzen ist vorzugsweise mittels einer Gleitlagerung in der Bohrung 15 gelagert. Wie insbesondere in den 1 bis 3 dargestellt, besitzt das kleine Pleuelauge 17 eine der Pleuelstange 19 abgewandte Belastungsseite 20, die im Betriebszustand des Pleuels oberhalb des Kolbenbolzens angeordnet ist und auf die beim Kolbenbetrieb infolge des Gasdrucks auf den Kolben große Druckkräfte wirken. Die Gegenseite 21 ist im Betriebszustand unterhalb des Kolbenbolzens angeordnet und der Pleuelstange 19 bzw. dem Pleuelschaft zugewandt.
Das Honwerkzeug 16 ist zur Feinbearbeitung der Innenfläche 22 der Bohrung 15 vorgesehen. Das Honwerkzeug 16 kann mit einer nicht dargestellten Honspindel einer Honmaschine verbunden sein. Es besitzt mehrere vorzugsweise in regelmäßigen Abständen am Werkzeug-Umfang angeordnete Honsteine 23. Die Honsteine 23 können durch einen nicht dargestellten, am Honwerkzeug 16 befindlichen Stellmechanismus von einer eingefahrenen Ruheposition radial in eine ausgefahrene Bearbeitungsposition zugestellt werden, so dass sie mit der zu bearbeitenden Innenfläche 22 der Bohrung 15 mit geeignetem Anpreßdruck in Kontakt kommen. Im Betriebszustand führt das Honwerkzeug 16 einen Rotationsbewegung um seine Werkzeugachse 24 aus und gleichzeitig Auf- und Abwärtsbewegung axial zur Werkzeugachse 24. Die Innenfläche 22 der Bohrung 15 wird also durch eine kombinierte Rotationsbewegung und Auf- und Abwärtsbewegung feinbearbeitet.
Die 2 zeigt eine Werkstückspannvorrichtung 14 als wesentliches Element einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Honvorrichtung. Mit der Werkstückspannvorrichtung 14 läßt sich das Verfahren zur Erzeugung eines ovalen Bohrungsquerschnitts durchführen. Die Werkstückspannvorrichtung 14 besteht im wesentlichen aus einem Hubzylinder 31 mit ein- und ausfahrbarer Kolbenstange 32 und einer Zwinge 33. Zur Befestigung des Hubzylinders 31 der Werkstück-Spannvorrichtung 14 kann beispielsweise die Werkstückhalteeinrichtung 12 verwendet werden. Er kann auf der Grundplatte 25 oder auf der Wippe 28 befestigt werden. Bei einer Befestigung auf der Wippe 28 wird diese vorzugsweise derart gelagert, dass sie nicht mehr schwenkbeweglich ist. An der Wippe 28 kann ein Vorsprung 38 zur Aufnahme des Hubzylinders 31 ausgebildet sein.
Der Hubzylinder 31 wird vorzugsweise pneumatisch betrieben. Es ist jedoch auch eine hydraulische Wirkungsweise möglich. Die Kolbenstange 32 ist mittels einer Druckluftbeaufschlagung des nicht dargestellten Kolbens aus dem Hubzylinder 31 ausfahrbar. Sie weist an ihrem hubzylinderfernen Ende eine Anlageplatte 34 zur Anlage an das zu bearbeitende Werkstück 13 auf. Die gabelförmige Zwinge 33 besitzt einen Mittelabschnitt 35, der beidseitig mit jeweils einer Zinke 36, 37 einstückig verbunden ist. Die hubzylinderseitige Zinke 36 ist am Hubzylinder 31 befestigt. Die hubzylinderferne Zinke 37 bildet ein Anlageelement, an das das Werkstück 13 beim Spannvorgang anstoßen kann. Das Werkstück 13 kann also zwischen der Anlageplatte 34 an der Kolbenstange 32 und der Zinke 37 an der Zwinge 33 eingespannt werden. Die Werkstück-Spannvorrichtung 14 kann auch als eine Art pneumatisch betriebene „Schraubzwinge” bezeichnet werden. Das zu bearbeitende Pleuel-Werkstück 13 wird im Bereich seines kleinen Pleuelauges 17 in die Werkstück-Spannvorrichtung 14 eingespannt. Um eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 13 und einer Auflage des Werkstücks beim Spannvorgang zu ermöglichen, beispielsweise wenn die Anlageplatte 34 an das Werkstück 13 stößt, kann eine nicht näher dargestellte Drehlagerung am Pleuelfuß bzw. großen Pleuelauge 18 vorgesehen sein. Die Dreh- bzw. Schwenklagerung kann eine Schwenkachse 39 aufweisen, um die das Werkstück 14 schwenkbar ist.
Wie in 2 dargestellt, können die Werkstückhalteeinrichtung 12 und die Werkstück-Spannvorrichtung 14 in einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Honvorrichtung 11 kombiniert werden, so dass mit dieser Ausführungsform der Honvorrichtung sowohl das Verfahren zur Erzeugung einer Breitenkonturierung der Bohrung als auch das Verfahren zur Erzeugung eines ovalen Bohrungsquerschnitts durchgeführt werden können.
Verfahren zur Erzeugung einer Breitenkonturierung der Bohrung
Die 3 bis 5 zeigen anhand von drei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Honbearbeitung der Innenfläche 22 der Bohrung 15 eines Pleuel-Werkstücks 13. Das Verfahren wird mit der in 1 dargestellten Werkstückhalteeinrichtung 12 durchgeführt.
Bei der gezeigten Variante befindet sich das Honwerkzeug 16 zunächst in seiner Werkzeug-Ausgangsposition 41 oberhalb der Werkstück-Bohrung 15. Die Honsteine 23 des Honwerkzeugs 16 können in dieser Werkzeug-Ausgangsposition 41 bereits ausgestellt in ihrer Funktionsposition sein. Alternativ ist es möglich, die Honsteine 23 erst nach dem Einfahren in die Bohrung 15 zuzustellen.
Das Werkstück, insbesondere das Pleuel, wird zunächst auf der Wippe 28 der Werkstück-Halteeinrichtung 12 befestigt. Ein Pleuel wird derart positioniert, dass die Bohrung 15 am kleinen Pleuelauge 17 oberhalb der Ausnehmung 47 an der Wippe 28 angeordnet ist.
Das Honwerkzeug 16 wird über die Honspindel in Rotation versetzt und durch einen langen Abwärtshub in die Bohrung 15 eingefahren. Falls die Honsteine 23 bereits zugestellt sind, kommen diese mit dem einführseitigen Endbereich 42 der Bohrung 15 in Kontakt und drücken das Werkstück 13 samt Wippe 28 nach unten. Falls die Honsteine 23 noch nicht zugestellt sind, fährt das Honwerkzeug 16 zunächst ungefähr bis zur Mitte der Bohrung 15, ohne dass die Wippe 28 bewegt wird. Der Zustellvorgang der Honsteine 23 erfolgt dann nach dem Einfahren des Honwerkzeugs 16.
Das Werkstück 13 befindet sich in seiner in 3 dargestellten Werkstück-Ausgangsposition 48, wobei die Wippe 28 im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.
Wie in der 4 dargestellt, wird die Wippe 28 samt Werkstück 13 beim Abwärtshub des Honwerkzeugs 16 mit ausgestellten Honsteinen 23 durch deren auf die Bohrungs-Innenfläche ausgeübte Schnittkraft um die Kippachse 30 am Lagerbock 27 nach unten gekippt. Während die Werkzeugachse 24 in ihrer in 3 dargestellten Position winkelstabil verbleibt, wird die Bohrungsachse 40 um den Winkel α gegenüber der Werkzeugachse 24 verkippt. Dadurch tritt die Situation auf, dass die Honsteine 23 an zwei diagonal gegenüberliegenden Umfangsabschnitten 44b, 44c in den Endbereichen 42, 43 der Bohrung 15 in Kontakt kommen und diese Bereiche intensiv feinbearbeiten. Ein intensiv bearbeiteter Umfangsabschnitt 44b befindet sich am einführseitigen Endbereich 42 und ein anderer intensiv bearbeiteter Umfangsabschnitt 19c am ausführseitigen Endbereich 43 der Bohrung 15. Im Falle eines Pleuel-Werkstücks 13 wird also zunächst der einführseitige Umfangsabschnitt 44b an der Belastungsseite 20 und der ausführseitige Umfangsabschnitt 44c an der Gegenseite 21 des kleinen Pleuelauges 17 feinbearbeitet. Durch den Honvorgang werden an dem Umfangsabschnitten 44b, 44c Krümmungen erzeugt, die im dargestellten Ausführungsbeispiel vergrößert dargestellt sind. Die Auskippung der Wippe 28 samt Werkstück 13 beim Abwärtshub, repräsentiert durch den Winkel α, wird durch das in 1 dargestellte Anschlagelement 26 begrenzt. Der Winkel α kann somit durch eine Veränderung des Abstandes zwischen Anschlagelement 26 und Kippachse 30 verkleinert oder vergrößert werden. Alternativ könnte auch die Höhe des Anschlagelementes 26 verändert werden. Die Anschlagelemente 26 können auch steuerbar ausgeführt werden. Beispielsweise könnten die Anschlagelemente am Anfang des Verfahrens so eingestellt werden, dass der Winkel und ein beim Aufwärtshub auftretender Winkel relativ klein sind und während des Verfahrens ver größert werden. Vor Beendigung des Verfahrens könnten die Anschlagelemente derart eingestellt werden, dass die Winkel α und β ungefähr gleich Null sind, so dass ein zylindrischer Bereich im Bohrungsinnern erzeugt wird. Die Anschlagelemente könnten dazu als Stellschrauben ausgebildet sein, deren Höhe variabel einstellbar ist.
In der 5 ist ein Aufwärtshub des Honwerkzeugs 16 dargestellt, der sich unmittelbar an den Abwärtshub anschließt. Die Wippe 28 samt Werkstück 14 wird dabei durch die Schnittkraft der Honsteine 23 nach oben gezogen und damit gekippt. Die Bohrungsachse 40 ist dabei um den Winkel gegenüber der im wesentlichen winkelstabilen Werkzeugachse 24 verkippt. In der Regel ist die Verkippung beim Abwärtshub und beim Aufwärtshub gleich groß, so dass die Winkel α und β betragsmäßig gleich groß sind. Die Auskippung beim Aufwärtshub, repräsentiert durch den Winkel β, kann ebenfalls durch ein Anschlagelement 26 begrenzt werden. Beim Aufwärtshub werden die beiden bisher unbearbeiteten Umfangsabschnitte 44a bzw. 44d am einführseitigen Endbereich 42 bzw. am ausführseitigen Endbereich 43 in analoger Weise zu dem in 4 dargestellten Verfahrensschritt feinbearbeitet. Nach einem Durchgang, der aus einem Abwärts- und einem Aufwärtshub bestehen kann, ist also bereits eine charakteristische Kontur der Innenfläche 22 der Bohrung 15 erzeugbar. Die Bohrungskontur könnte beispielsweise derart aussehen, dass der Bohrungsdurchmesser in den Endbereichen 42, 43 größer ist, als an einem Mittelabschnitt 45 der Bohrung 15. Durch eine stärkere Schrägstellung des Werkstücks 14 gegenüber dem im wesentlichen winkelstabilen Honwerkzeug 16, also einer Vergrößerung der Kippwinkel α und β, lassen sich dementsprechend größere Endbereiche 42, 43, die sich ggf. weiter zum Mittelabschnitt 45 (5) hin erstrecken, intensiv feinbearbeiten. Bei größeren Kippwinkeln α und β haben die Umfangsabschnitte 44a, 44b, 44c und 44d eine größere Erstreckung in einer Richtung parallel zur Bohrungsachse 40 und ggf. in einer Richtung senkrecht zur Bohrungsachse 40 als bei kleineren Kippwinkeln α und β.
Es ist beispielsweise eine Bohrungskontur erzeugbar, bei der sich der Bohrungsdurchmesser der Bohrung 15 parallel zur Bohrungsachse 40 stetig ändert. Die Innenfläche 22 der Bohrung 15 kann auf diese Weise „ballig” ausgebildet werden, d. h. die Innenfläche 22 könnte sich konvex zur Bohrungsachse 40 hin wölben.
Ein Pleuel-Werkstück 14 mit einer derartig ausgebildeten Bohrung 15 am kleinen Pleuelauge 17 kann vorteilhaft als Teil einer Gleitlagerung eines Kolbenbolzens in einer Bohrung eingesetzt werden. Im Betriebszustand kann dadurch erreicht werden, dass die Innenfläche 22 der Bohrung 15 unter Last, bei den herrschenden Druckkräften zwischen dem Kolbenbolzen und der Bohrungswandung in Richtung der Pleuel-Längsachse 46, verformt wird, und zwar insbesondere entgegengesetzt zu der an der Belastungsseite 20 des kleinen Pleuelauges ausgebildeten Wölbung. Dadurch kann erreicht werden, dass die Bohrung 15 während des Betriebs wieder weitgehend zylindrisch wird, so dass eine weitgehend gleichmäßige Flächenpressung zwischen dem Kolbenbolzen und der Bohrung 15 gewährleistet ist. Dadurch können Bohrungsbereiche mit erhöhtem Festkörperkontaktdruck zwischen Kolbenbolzen und Bohrungswandung vermieden werden, was zu einer Erhöhung der Verschleißsicherheit der Lagerung führt. Um Fehlstellungen zwischen dem Honwerkzeug 16 und dem Werkstück 13 zu vermeiden, kann die Werkstückhalteeinrichtung 12 schwimmend gelagert sein, beispielsweise in der Art, dass sie horizontal in x- und in y-Richtung verfahrbar ist.
Verfahren zur Erzeugung eines ovalen Bohrungsquerschnitts
In den 6 bis 9 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines ovalen Bohrungsquerschnitts beschrieben. Das Verfahren wird mittels der in 2 dargestellten Werkstück-Spannvorrichtung durchgeführt. Analog zum vorstehend beschriebe nen Verfahren wird auch dieses Verfahren anhand eines Pleuel-Werkstücks 13 beschrieben.
Wie in 2 dargestellt, wird das Werkstück 13 derart befestigt, dass es sich im Spannbereich der Werkstück-Spannvorrichtung 14 befindet. Bei einem Pleuel-Werkstück 13 befindet sich das kleine Pleuelauge 17 im Spannbereich der Werkstück-Spannvorrichtung 14. Gemäß 6, befindet sich die Bohrung 15 zunächst in einem Ausgangszustand, wobei der Bohrungsquerschnitt im wesentlichen kreisrund ist und allenfalls durch Fertigungstoleranzen um wenige tausendstel Millimeter von der Kreisrundheit abweichen kann. Der in 2 dargestellte Hubzylinder 31 wird mit Druckluft beaufschlagt, so dass die Kolbenstange 32 ausfährt und an das Werkstück 13 im Bereich der Bohrung 15 stößt. Das Werkstück 13 wird einen bestimmten Weg in Ausfahrrichtung der Kolbenstange mitgeschoben, bis es an die hubzylinderferne Zinke 37 der Zwinge 33 der Werkstückspannvorrichtung 14 anstößt. Bei einem Pleuel-Werkstück 14 wird das kleine Pleuelauge 17 also durch die am großen Pleuelauge 18 vorgesehene Schwenkachse 39 verschwenkt.
Wie in 7 dargestellt, wird die Bohrung 15 anschließend durch die Spannkraft, die vom Hubzylinder 31 bereitgestellt wird, zwischen der hubzylinderfernen Zinke 37 und der Anlageplatte 34 an der Kolbenstange 32 so weit zusammengedrückt, dass der Bohrungsquerschnitt oval bzw. elliptisch wird. Bei dieser elastischen Verformung wird ein ovaler Übergangszustand der Bohrung 15 erreicht. Bei dem in 2 gezeigten Pleuel-Werkstück 13 erfolgt die Verformung in Spannrichtung 49 senkrecht zur Pleuellängsachse 46. Es entsteht also eine Ellipse mit einer langen Achse in Richtung der Pleuellängsachse 46 und einer senkrecht dazu ausgerichteten kurzen Achse in Spannrichtung. Die Ovalität, die als Maß für die Abweichung des Bohrungsquerschnitts von einer exakt kreisrunden Ausbildung definiert werden kann, kann hierbei als die Hälfte der Differenz zwischen der langen Achse und der kurzen Achse angegeben werden. Die Ovalität liegt vorzugsweise im Bereich weniger, beispielsweise ein bis zwei hundertstel Millimeter bis zwei hundertstel Millimeter. Das Verformen der Bohrung 15 erfolgt vorzugsweise mit einer über den gesamten Spannvorgang konstanten Spannkraft. Alternativ kann die Spannkraft jedoch auch von einem Ausgangswert am Anfang des Spannvorgangs auf einen Endwert gesteigert werden. Die Größe der einzuleitenden Spannkraft hängt von den, Werkstoffeigenschaften des Werkstückes 13 ab. Für gängige Stahlwerkstoffe kann die Spannkraft im Bereich von 0,7 kN bis 1 kN liegen. Die Spannkraft ist so zu wählen, dass eine weitgehend elastische Verformung des Werkstücks im Bohrungsbereich bewirkt wird.
Wie in 8 dargestellt, wird im nächsten Verfahrensschritt ein Honwerkzeug 16 in die Bohrung 15 eingefahren und die Innenfläche 22 der Bohrung 15 feinbearbeitet. Gehont wird, während die Spannkraft aufrechterhalten wird, d. h. die hubzylinderferne Zinke 37 und die Anlageplatte 34 der Werkstück-Spannvorrichtung 14 unter Druck am Werkstück 13 anliegen. Durch die Honsteine 23 des Honwerkzeugs 16 wird die Innenfläche 22 der Bohrung 15 derart feinbearbeitet, dass aus dem ovalen Bohrungsquerschnitt wieder ein im wesentlichen kreisrunder Bohrungsquerschnitt erzeugt wird. Die Bohrung 15 wird von ihrem ovalen Übergangszustand in einen kreisrunden Übergangszustand feinbearbeitet.
In 9 ist der Endzustand des Werkstücks dargestellt. Nach Beendigung der Bearbeitung wird die Spannkraft weggenommen, so dass das Werkstück im Bereich seiner Bohrung 15 druckentlastet wird. Dabei entspannt sich das elastisch verformte Pleuel-Werkstück 13 in Spannrichtung, also senkrecht zur Pleuel-Längsachse 46. Aus dem in 8 gezeigten kreisrunden Bohrungsquerschnitt wird wieder ein ovaler Bohrungsquerschnitt. Im Gegensatz zu dem in 7 gezeigten ovalen Bohrungsquerschnitt befindet sich die lange Achse der entstandenen Bohrungsellipse in Spannrichtung 49 und die kurze Achse in Richtung der Pleuel-Längsachse 46.
Ein Pleuel-Werkstück 13 mit einem im unbelasteten Zustand ovalen Bohrungsquerschnitt, bei dem der größere Durchmesser quer zur Belastungsrichtung im Betrieb, nämlich in Richtung der Pleuel-Längsachse 46, ausgerichtet ist, kann vorteilhaft als Teil einer Lagerung aus Kolbenbolzen und Bohrung eingesetzt werden. Unter Last, beispielsweise wenn die Kolbenkräfte auf das Pleuel übertragen werden, können auf das Pleuel Zugkräfte parallel zur Pleuel-Längsachse 46 wirken, so dass wieder ein im wesentlichen kreisrunder Bohrungsquerschnitt entsteht. Dadurch ist eine gleichmäßige Flächenpressung zwischen einem in der Bohrung 15 befindlichen Kolbenbolzen und der Bohrung 15 gewährleistet.
Das Verfahren zur Erzeugung einer Breitenkonturierung der Bohrung kann in einer ersten Ausführungsform der Honvorrichtung 11 durchgeführt werden, die eine Werkstückhalteeinrichtung 12 aufweist. Das Verfahren zur Erzeugung eines ovalen Bohrungsquerschnitts kann in einer zweiten Ausführungsform der Honvorrichtung 11 durchgeführt werden, die eine Werkstück-Spannvorrichtung 14 aufweist. Die beiden Verfahren können auch gemeinsam in einer dritten Ausführungsform der Honvorrichtung mit Werkstückhalteeinrichtung 12 und Werkstück-Spannvorrichtung 14 durchgeführt werden. Das Verfahren zur Erzeugung eines ovalen Bohrungsquerschnitts kann nach dem Verfahren zur Erzeugung einer Breitenkonturierung der Bohrung durchgeführt werden oder umgekehrt. Es können also Bohrungen erzeugt werden, die einen ovalen Bohrungsquerschnitt und zugleich eine Breitenkonturierung besitzen.

Claims

Verfahren zur Honbearbeitung einer Innenfläche einer eine Bohrungsachse aufweisenden Bohrung in einem Pleuel mit Hilfe eines Honwerkzeugs mit folgenden Schritten: – Zusammendrücken des Pleuels im Bereich der Bohrung quer zur Bohrungsachse mit einer zur ovalen Verformung des Bohrungsquerschnitts ausreichenden Spannkraft in einer im Wesentlichen senkrecht zur Pleuellängsachse verlaufenden Spannrichtung; – Feinbearbeiten der Innenfläche der Bohrung im zusammengedrückten Zustand mit Hilfe des Honwerkzeugs zur Erzeugung eines im Wesentlichen kreisrunden Bohrungsquerschnitts; – Wegnahme der Spannkraft zur Entlastung des zusammengedrückten Bereichs der Bohrung, wodurch in einem im Wesentlichen unbelasteten Pleuel eine Bohrung mit einer ovalen Querschnittsfläche entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für die Abweichung der Querschnittsfläche der Bohrung von der Kreisrundheit eine Ovalität genommen wird, wobei die Ovalität im Bereich zwischen 5 μm bis 30 μm, insbesondere 10 μm bis 20 μm, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusammendrücken des Pleuels mittels einer fluidtechnisch, insbesondere pneumatisch erzeugten oder einer motorisch erzeugten Spannkraft erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Zusammendrückens des Pleuels eine Spannkraft zur elastischen Verformung des Werkstücks eingeleitet wird, vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 2 kN, insbesondere im Bereich von 0,7 bis 1 kN.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuel schwimmend gelagert ist, so dass es sich unter Einwirkung der Spannkraft im wesentlichen quer zu einer Krafteinleitungsrichtung ausrichtet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwimmbewegungen des Pleuels begrenzt werden.
Honvorrichtung zur Honbearbeitung einer Innenfläche (22) einer eine Bohrungsachse (40) und einen Bohrungsquerschnitt aufweisenden Bohrung (15) in einem Pleuel, mit Hilfe eines Honwerkzeugs (16), mit einer Werkstück-Halteeinrichtung (12) zur Halterung des Pleuels (13) derart, dass die Bohrungsachse (40) in eine Achsrichtung der Halterung ausgerichtet ist, und einer Werkstück-Spannvorrichtung (14) zur Einspannung eines die Bohrung (15) enthaltenden Werkstückabschnitts mit einer quer zur Achsrichtung wirkenden Spannkraft, wobei die Spannvorrichtung (34) derart ausgebildet ist, dass eine Spannkraft in einer im Wesentlichen senkrecht zur Pleuellängsachse verlaufenden Spannrichtung erzeugbar ist, die zur ovalen Verformung eines Bohrungsquerschnitts ausreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass als Maß für die Abweichung der Querschnittsfläche der Bohrung (15) von der Kreisrundheit eine Ovalität erzeugbar ist, die im Bereich zwischen 5 μm bis 30 μm, insbesondere 10 μm bis 20 μm, liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (14) fluidtechnisch, insbesondere pneumatisch wirkend ausgebildet ist, vorzugsweise einen Pneumatikzylinder (31) aufweist oder motorisch wirkend ausgebildet ist, vorzugsweise einen Schrittmotor aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass eine Spannkraft zur elastischen Verformung des Pleuels (13) erzeugbar ist, vorzugsweise im Bereich von 0,3 bis 2 kN, insbesondere im Bereich von 0,7 bis 1 kN.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerung, insbesondere eine Schwenklagerung, für das Pleuel (14) vorgesehen ist, die eine Ausrichtung des Pleuels (13) im wesentlichen quer zu einer Spannkrafteinleitungsrichtung ermöglicht.
Pleuel mit einer Pleuelstange und mindestens einem Pleuelauge mit einer Bohrung, die dazu vorgesehen ist, gemeinsam mit einem im Wesentlichen kreiszylindrischen Gegenelement ein drehbares Gleitlager zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (15) einen ovalen Bohrungsquerschnitt hat, bei dem eine lange Ellipsenachse im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptbelastungsrichtung des Pleuels ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung eine gehonte Innenfläche hat.
Pleuel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung eine von einer Kreisrundheit abweichende Querschnittsfläche mit einer Ovalität im Bereich zwischen 5 μm bis 30 μm, insbesondere zwischen 10 μm bis 20 μm hat.