DE10315218B4

DE10315218B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Feinbearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks

Info

Publication number: DE10315218B4
Application number: DE2003115218
Authority: DE
Inventors: Uwe-Peter Dr.-Ing. Weigmann
Original assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2023-04-02
Also published as: DE10315218A1

Abstract

Verfahren zur Feinbearbeitung einer eine Oberflächenbeschaffenheit aufweisenden Oberfläche eines Werkstücks, bei dem eine Regelung wenigstens eines die Oberflächenbeschaffenheit beschreibenden Oberflächenparameters durchgeführt wird, gekennzeichnet durch eine Regelung mit folgenden Schritten:
1.1 Erfassen der Oberflächenbeschaffenheit an wenigstens einem Werkstückabschnitt zur Ermittlung wenigstens eines Oberflächenmesswerts,
1.2 Analyse des Oberflächenmesswerts zur Ermittlung wenigstens eines Istwerts wenigstens eines Oberflächenparameters,
1.3 Vergleich des Istwerts mit einem vorgegebenen Sollwert des Oberflächenparameters zur Ermittlung einer Sollwertabweichung,
1.4 Veränderung wenigstens einer den Oberflächenparameter beeinflussenden Einstellgröße anhand einer vorgegebenen Kennfunktion zur Angleichung des Istwerts an den Sollwert, falls eine vorgegebene zulässige Maximalabweichung überschritten wird,
1.5 Wiederholung der Schritte 1.1 bis 1.4 solange bis eine Differenz zwischen einem durch die Veränderung der Einstellgröße erzielten weiteren Istwert und dem Sollwert die zulässige Maximalabweichung unterschreitet oder dieser entspricht.

Description

Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 20.
Die Oberflächenbeschaffenheit von Werkstückoberflächen ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal für das Funktionsverhalten tribologisch beanspruchter Bauteile. Beispielsweise hat die Rauheit der Bohrungswandung einer Zylinderlaufbahn Einfluss auf das Laufverhalten bzw. den Ölverbrauch eines Motors.
Es ist bekannt, Messwerte bezüglich der Oberflächenbeschaffenheit eines durch einen Feinbearbeitungsprozess zu bearbeitenden Werkstücks mittels Messsensoren zu erfassen und daraus beispielsweise Rauheitsparameterwerte zu ermitteln. Die Rauheitsparameterwerte können an einem Display eines Prozessrechners angezeigt werden, so dass sie ein Bediener ablesen kann. Die Steuerung des Feinbearbei tungsprozesses erfolgt herkömmlich mit dem Fachwissen und den Fertigkeiten des Bedieners, der weiß, ob ein ermittelter Rauheitsparameterwert von einem für den betreffenden Feinbearbeitungsprozess einzuhaltenden Sollwert abweicht. Falls die Sollwertabweichung zu hoch ist, verändert der Bediener eine aus seiner Sicht geeignete Einstellgröße. Nach dieser Anpassung wird der Istwert erneut überprüft. Das Vorgehen wird solange wiederholt, bis der Istwert an den Sollwert angeglichen ist. Dieses Vorgehen ist zeitaufwendig und setzt ein entsprechendes Knowhow des Bedieners voraus. Das Bearbeitungsergebnis ist bei diesem Verfahren wesentlich von den Fähigkeiten und der Erfahrung des Bedieners abhängig, so dass Reproduzierbarkeit ggf. nur eingeschränkt gegeben ist.
Die EP 1 173 308 B1 beschreibt Verfahren zur Feinbearbeitung von Oberflächen, bei denen eine Kopplung von in-situ Messeinrichtungen mit rotierenden abrasiven Werkzeugen vorgenommen wird. Es wird ein Drehschleifwerkzeug mit einer gelochten Schleifscheibe und einem berührungslosen Sensor beschrieben, der durch Löcher der Schleifscheibe hindurch auf die Werkstückoberfläche ausgerichtet ist, während diese rotiert. Bei solchen Schleifwerkzeugen sollen sich besondere Vorteile bei der Verwendung dadurch ergeben, dass eine Echtzeitrückkopplung zum Bediener oder zu einem das Werkzeug kontrollierenden Maschinenwerkzeug durchgeführt wird. Es ist angesprochen, dass auch eine Regelung der Oberflächenrauheit durchgeführt werden kann. Konstruktiv ist ein zustandserfassender Mechanismus mit einem Steuersystem am Werkzeug verbunden, welches Parameter, wie beispielsweise die Position des Werkzeuges relativ zum Werkstück oder die Kraft, mit der die Schleifscheibe mit dem Werkstück in Kontakt steht, oder die Drehgeschwindigkeit der Schleifscheibe regelt. Details über Aufbau und Funktion der Regelung sind nicht angegeben. Bei einer bevorzugten Verwendung werden die Schleifscheiben bei der Bearbeitung lackierter Automobilteile eingesetzt. Dabei hat ein Werkzeug zwei Sensoren, nämlich eine Lasereinrichtung und einen Temperatursensor. Die Lasereinrichtung soll die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks beim Bearbeiten überwachen und die Bearbeitung beenden, wenn das gewünschte Finish erreicht ist. Der Temperatursensor soll dazu dienen, die Bearbeitung zu unterbrechen oder weniger aggressiv zu gestalten, wenn die Temperatur so stark steigt, dass sich bei der Farbe temperaturbedingte Änderungen ergeben. Auf diese Weise kann gegebenenfalls beispielsweise eine Abschalteregelung realisiert werden.
Die DE 25 35 912 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rauhigkeitsprüfung von Oberflächen. Dabei soll insbesondere der Verlauf der Rauhigkeit als Funktion der Schleifzeit möglichst während des Bearbeitungsvorgangs ermittelt werden. Bei dem Verfahren wird die Oberfläche des Werkstücks mittels eines nachgiebig gehaltenen Tastorgans entlang von Linien abgetastet. Bei dem Abtastvorgang werden an dem Tastorgan oder an mit ihm in Verbindung stehenden Teilen auftretende mechanische Schwingungen aufgenommen, um einen Amplitudenwert zu ermitteln, der als Kriterium für die Rauhigkeit der Oberfläche verwendet wird. Wenigstens eine eine Bearbeitungsoperation des Werkstückes beeinflussende Größe oder Einstellung kann in Abhängigkeit von der Größe des Amplitudenwertes oder einem diesen repräsentierenden Signal gesteuert oder geregelt werden. Es werden keine Details zu dieser Steuerung oder Regelung offenbart.
Aufgabe und Lösung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bedienerunabhängig zu reproduzierbaren Ergebnissen führen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 20 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst eine Regelung wenigstens eines die Oberflächenbeschaffenheit beschreibenden Oberflächenparameters aus. Dadurch ist eine exakte bedienerunabhängige Durchführung des Feinbearbeitungsprozesses möglich. Die bisher bekannten Feinbearbeitungsprozesse hängen wesentlich vom Fachwissen des Bedieners ab. Der Bediener weiß aus seinem Erfahrungsschatz mehr oder weniger genau, wie weit er die Einstellgröße verändern muss, um den gewünschten Oberflächenparameterwert zu erreichen. Um eine gute Qualität des Feinbearbeitungsprozesses zu erzielen, erfordert dies einen hoch qualifizierten Bediener, der die komplexen Zusammenhänge zwischen den Oberflächenparametern und den Einstellgrößen versteht. Insbesondere bei mehreren aufeinanderaufbauenden Feinbearbeitungsstufen können die Zusammenhänge sehr komplex sein. Jedoch ist auch ein solch hochqualifizierter Bediener nicht vor Fehlbeurteilungen sicher. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist ein hochqualifizierter Bediener nicht notwendig und dennoch lassen sich genauere, gleichbleibend gute Feinbearbeitungsergebnisse erzielen. Die Sicherheit des Prozesses steigt, die Ausschussquote kann reduziert werden. Ausserdem können Toleranzen für Oberflächenparameter bei einem bedienerunabhängigen Prozess, der genauere Feinbearbeitungsergebnisse liefert, eingeengt werden.
Gemäß der beanspruchten Erfindung ist eine kennfunktionsbezogene Regelung vorgesehen. Zunächst wird dabei die Oberflächenbeschaffenheit an wenigstens einem Werkstückabschnitt zur Ermittlung wenigstens eines Oberflächenmesswerts erfasst. Dann wird der Oberflächenmesswert zur Ermittlung wenigstens eines Istwerts wenigstens eines Oberflächenparameters analysiert. Als nächstes erfolgt ein Vergleich des ermit telten Istwerts mit einem vorgegebenen Sollwert des Oberflächenparameters zur Ermittlung der Sollwertabweichung. Falls eine vorgegebene zulässige Maximalabweichung überschritten wird, wird wenigstens eine den Oberflächenparameter beeinflussende Einstellgröße anhand einer vorgegebenen, die Abhängigkeit des Oberflächenparameters von der Einstellgröße beschreibenden Kennfunktion zur Angleichung des Istwerts an den Sollwert verändert. Bei einer Veränderung der Einstellgröße kann der daraus erzielte neue Istwert des Oberflächenparameters abermals mit seinem vorgegebenen Sollwert verglichen wird und bei einer neuen, nicht tolerierbaren Sollwertabweichung erneut die Einstellgröße verändert werden. Dies kann mehrmals wiederholt werden. Eine solche abermalige Sollwertabweichung kann auftreten, wenn sich beim Feinbearbeiten beispielsweise Werkstückeigenschaften oder der Zustand der Vorbearbeitung ändern.
Durch die vorgegebene Kennfunktion, mit der die Abhängigkeit des Oberflächenparameters von der Einstellgröße hinterlegt ist, ist eine exakte, bedienerunabhängige Steuerung des Feinbearbeitungsprozesses möglich, da das genaue Änderungsmaß, um das die Einstellgröße verändert werden muss, um einen gewünschten Wert des Oberflächenparameters zu erreichen, aus der Kennfunktion bekannt ist.
Verfahren zur Feinbearbeitung können Hon-, Finish-, Läppverfahren oder dgl. sein. Auch eine Kombination verschiedener Feinbearbeitungsverfahren ist möglich, beispielsweise eine Kombination aus Feinbohren und Honen.
Die Kennfunktion kann die Abhängigkeit des Oberflächenparameters von mindestens einer Einstellgröße beschreiben. Sie kann eine kontinuierlich verlaufende Funktion sein, bei der jedem Wert einer Einstellgröße ein bestimmter Wert eines Oberflächenparameters zugeordnet ist. Dadurch ist es möglich aus dieser Kennfunktion exakt das genaue Maß zu bestimmen, um das die Einstellgröße verändert werden muss, um den Istwert des Oberflächenparameters an dessen Sollwert anzugleichen. Die Kennfunktion ist vorzugsweise eine eindimensionale Kennkurve bzw. -linie. Es sind auch mehrdimensionale Kennfunktionen möglich, die auch als Kennfeld bezeichnet werden können.
Alternativ ist es möglich, dass die Kennfunktion eine Art Steueralgorithmus ist, der aus diskreten Wertepaaren von Einstellgrößenwerten und Oberflächenparameterwerten zusammengesetzt ist. Die Wertepaare können in wenigstens einer Tabelle hinterlegt sein. Je nachdem zwischen welchen hinterlegten Oberflächenparameterwerten der ermittelte Istwert liegt, kann die Einstellgröße zunächst näherungsweise geändert werden, um ihn an den vorgegeben Sollwert anzunähern. Der infolge der Veränderung der Einstellgröße erzielte neue Istwert des Oberflächenparameters kann überprüft und abermals mit dem Sollwert verglichen werden. Gegebenfalls ist die Einstellgröße erneut zu verändern. Der Istwert kann dadurch also schrittweise an den Sollwert angeglichen werden.
Es ist möglich, dass die Kennfunktion nicht die direkte Abhängigkeit der Einstellgröße vom Oberflächenparameter beschreibt, sondern die Abhängigkeit der Sollwertabweichung von einer Einstellgrößenänderung. Es ist also möglich für eine bestimmte Sollwertabweichung aus der Kennfunktion die Richtung in der die Einstellgröße geändert werden muss und/oder direkt das Änderungsmaß bzw. den Änderungsbetrag der Einstellgröße zu ermitteln.
Bei dem Oberflächenparameter handelt es sich vorzugsweise um einen eine Oberflächentopografie, also die Gestalt und die Struktur der Oberfläche beschreibenden Parameter. Insbesondere handelt es sich um einen Rauheitsparameter. Alternativ sind andere, nicht die Oberflächentopografie beschreibende Parameter möglich, beispielsweise Parameter, die die Werkstoffeigenschaften der Oberfläche, beispielsweise deren Härte, beschreiben. Alternativ zu Rauheitsparameter können Parameter ermittelt werden, die das beim Feinbearbeiten erzielte Muster der beim Feinbearbeiten erzeugten Riefenstruktur beschreiben, beispielsweise Honwinkel oder dgl..
Der Rauheitsparameter ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe mit maximaler Rauhtiefe R_max, gemittelter Rautiefe R_z, arithmetischer Mittenrauhenwert R_a, reduzierter Spitzenhöhenwert R_pk, Kernrauhtiefe R_k, reduzierter Riefentiefe R_vk und Materialanteil M_r bzw. Traganteil t_p.
Der Oberflächenparameter ist von wenigstens einer Einstellgröße bzw. Prozessgröße abhängig. Die Einstellgrößen sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe mit Flächenpressung zwischen einem Feinbearbeitungswerkzeug und dem Werkstück, Feinbearbeitungszeit, Feinbearbeitungsgeschwindigkeit, insbesondere Drehzahl eines Feinbearbeitungswerkzeugs, örtlicher und zeitlicher Anpressdruckverlauf, Lage der Umkehrpunkte eines Feinbearbeitungswerkzeugs beim Feinbearbeiten mit wechselnden Richtungen und Aufmass. Durch die Variation wenigstens einer Einstellgröße lässt sich der Istwert des Oberflächenparameters derart variieren, dass er an dessen vorgegebenen Sollwert angenähert oder angeglichen wird.
Die Kennfunktion ist vorzugsweise abhängig von wenigstens einem Feinbearbeitungsparameter. Im Gegensatz zu den Einstellgrößen lässt sich der Feinbearbeitungsparameter in der Regel während der Bearbeitung (in-process) nicht verändern, so dass er als eine Art Randbedingung aufgefasst werden kann. Es sind also je nach Randbedingungen mehrere Kennfunktionen eines bestimmten Oberflächenparameters von einer bestimmten Einstellgröße, sozusagen eine Kennfunktionsschar, möglich. Die Feinbearbeitungsparameter können ausgewählt sein aus der Gruppe mit Feinbearbeitungswerkzeugparameter, Werkstückpara meter und Kühlschmierstoffparameter. Feinbearbeitungswerkzeugparameter sind insbesondere die Korngröße, Verteilung und Bindung der Feinbearbeitungssteine, insbesondere Honsteine, die Konizität des Werkzeugs, die Steifigkeit des Werkzeugs oder dgl.. Werkstückparameter sind beispielsweise Werkstückmaterial, Werkstückgeometrie, Werkstücksteifheit oder dgl.. Kühlschmierstoffparameter sind beispielsweise Kühlschmierstoffart, Kühlschmierstoffmenge, Viskosität, Kühlschmierstofftemperatur oder dgl..
Vorzugsweise wird vor dem Feinbearbeiten wenigstens eine Kennfunktion in einem Referenzfeinbearbeitungsvorgang aufgenommen, der dem Feinbearbeitungsvorgang bzw. -prozess ähnlich oder weitgehend identisch mit diesem ist. Dabei kann wenigstens ein Referenzwerkstück verwendet werden, das ähnlich oder identisch zu Werkstücken ist, die später feinbearbeitet werden sollen. Vorzugsweise besteht ein Referenzfeinbearbeitungsvorgang aus dem Durchlauf von mehreren Referenzwerkstücken. Beim Referenzfeinbearbeitungsvorgang wird vorzugsweise zunächst ein erster Referenzwert wenigstens eines Oberflächenparameters in Abhängigkeit wenigstens eines vorgegebenen Einstellgrößenwerts ermittelt. Dann kann der Einstellgrößenwert verändert werden, um mindestens einen zweiten Referenzwert zu ermitteln. Die Referenzwerte können analysiert werden, um wenigstens eine, die Abhängigkeit des Oberflächenparameters von der Einstellgröße beschreibende Kennfunktion zu ermitteln. Anschließend kann die Kennfunktion gespeichert werden. Durch den Referenzfeinbearbeitungsvorgang können also in einer Art Einlern- bzw. Selbstlernprozesses Kennfunktionen erzeugt und gespeichert werden. Alternativ ist es möglich, die Kennfunktionen experimentell im Rahmen von Versuchen zu ermitteln, aus Erfahrungswerten zu erzeugen oder bereits vorhandene Kennfunktionen einzulesen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks während des Feinbearbeitens (in situ) erfasst. Alternativ ist es möglich, die Oberflächenbeschaffenheit nach dem Feinbearbeiten (post-process) zu erfassen. Auch eine Kombination ist möglich.
Die Oberflächenbeschaffenheit wird an einer Stelle oder an mehreren Abschnitten des Werkstücks erfasst. Dadurch können unterschiedliche Bearbeitungsergebnisse an verschiedenen Stellen des Werkstücks einbezogen werden, beispielsweise um einen Gradienten der Rauheit zu erfassen. Die ermittelten Messwerte können gemittelt oder der Gradient der Rauheit als zu regelnde Grösse eingesetzt werden. Bevorzugt ist es, an mehreren Abschnitten gleichzeitig zu messen. Es ist auch möglich, die verschiedenen Abschnitte nacheinander zu vermessen, beispielsweise dadurch, dass die einzelnen Abschnitte nacheinander abgefahren und vermessen werden. Alternativ ist es möglich, an wenigstens einem bestimmten Abschnitt mehrmals zu messen und die daraus ermittelten Oberflächenmesswerte zu mitteln.
Besonders bevorzugt ist es, die Oberflächenbeschaffenheit bei einem Werkstück mit einer Bohrung, beispielsweise einem Motorblock mit Zylinderlaufbuchse, an verschiedenen Höhen bzw. axialen Positionen der Bohrung zu erfassen.
Die Oberflächenbeschaffenheit kann optisch, pneumatisch und/oder taktil erfasst werden. Es sind auch andere Messverfahren möglich.
Es ist möglich die Oberflächenbeschaffenheit zweidimensional und/oder dreidimensional zu erfassen. Bei der zweidimensionalen Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit, beispielsweise in Form eines ebenen Rauheitsprofils können optische, pneumatische und/oder taktile Messverfahren eingesetzt werden. Bei der dreidimensionalen Erfassung eignen sich vorzugsweise optische Messverfahren, beispielsweise die Weisslicht-Interferometrie.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist eine mehrstufige Feinbearbeitung vorgesehen, die einen ersten Feinbearbeitungsschritt und mindestens einen zweiten Feinbearbeitungsschritt umfasst. In dem ersten Feinbearbeitungsschritt kann ein Istwert wenigstens eines ersten Oberflächenparameters ermittelt werden und ggf. als Reaktion auf eine Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert des ersten Oberflächenparameters wenigstens eine erste Einstellgröße verändert werden. Dann kann ein für die eingestellte erste Einstellgröße zu erwartender Istwert mindestens eines zweiten Oberflächenparameters anhand einer die Abhängigkeit des zweiten Oberflächenparameters von der ersten Einstellgröße beschreibenden Kennfunktion ermittelt werden. Schließlich kann als Reaktion auf eine Abweichung des zu erwartenden Istwerts vom Sollwert für den zweiten Oberflächenparameter eine zweite Einstellgröße eingestellt werden, falls der zu erwartende Istwert eine zulässige Maxinalabweichung vom Sollwert des zweiten Oberflächenparameters überschreitet. Die zweite Einstellgröße kann auch die Einstellgröße für eine der vorhergehenden Bearbeitungsstufe nachgeordneten Operation sein.
Es ist also möglich, vorausschauend den zu erwartenden Istwert eines zweiten Oberflächenparameters zu ermitteln und, falls eine Überschreitung der zulässigen Maximalabweichung vom Sollwert droht, eine zweite Einstellgröße so zu verändern, dass dies nicht passiert.
Normalerweise sind die erste und die zweite Einstellgröße unterschiedlich. Es kann sich z. B. um einen Anpressdruck und andererseits um eine Bearbeitungszeit handeln. Es ist auch möglich, die bereits veränderte erste Einstellgröße nochmals zu verändern, um so in einer Art „Kompromisslösung” die Werte mehrerer oder aller Oberflächenparameter innerhalb der zulässigen Toleranzgrenzen zu halten. In diesem Fall wären die erste und die zweite Einstellgröße identisch.
Bei nicht zur beanspruchten Erfindung gehörenden Verfahren ist es möglich, eine Regelung vorzusehen, die nicht auf eine zuvor ermittelte Kennfunktion zurückgreift, sondern beispielsweise empirisch regelt. Zunächst kann die Oberflächenbeschaffenheit an wenigstens einem Wertstückabschnitt zur Ermittlung wenigstens eines Oberflächenmesswerts erfasst werden. Der Oberflächenmesswert kann analysiert werden, um wenigstens einen Istwert wenigstens eines Oberflächenparameters zu ermitteln. Der Istwert kann mit einem vorgegebenen Sollwert des Oberflächenparameters verglichen werden, um eine erste Sollwertabweichung zu ermitteln. Eine den Oberflächenparameter beeinflussende Einstellgröße kann um einen ersten Änderungswert bzw. eine erste Einstellgrößenänderung verändert werden, falls eine vorgegebene zulässige Maximalabweichung überschritten wird. Der mit dem ersten Änderungswert erzielte zweite Istwert des Oberflächenparameters kann erfasst und mit dem Sollwert verglichen werden, um eine zweite Sollwertabweichung zu ermitteln. Es kann wenigstens eine Einstellgröße um einen zweiten Änderungswert verändert werden, falls eine vorgegebene zulässige Maximalabweichung überschritten wird. Die Schritte Veränderung und Vergleich können solange wiederholt werden, bis die Sollwertabweichung der zulässigen Maximalabweichung entspricht oder diese unterschreitet.
Durch eine derartige Regelung kann der Istwert schrittweise, in einer Art „trial and error”-Methode an den Sollwert angenähert werden.
Es ist möglich, dass die Änderungswerte der Einstellgröße schrittweise kleiner werden. Es kann also mit einem relativen großen ersten Änderungswert begonnen werden, dessen Betrag von der Größe der ersten Sollwertabweichung abhängen kann. Der zweiten und die weiteren Änderungswerte können dann immer kleiner werden, bis der mit dem letzten Änderungswert erzielte Istwert dem Sollwert angenähert ist. Alternativ ist es möglich die Einstellgröße immer um denselben Betrag zu ändern, um sich schrittweise mit derselben Schrittgröße an den Sollwert heranzutasten.
Bevorzugt wird bei der schrittweisen Änderung der Einstellgröße immer dieselbe Einstellgröße verändert. Es ist jedoch auch möglich, zunächst eine erste Einstellgröße, beispielsweise den Anpressdruck, zu verändern und bei einer notwendigen nochmaligen Änderung nicht diese erste Einstellgröße, sondern eine zweite Einstellgröße, beispielsweise die Honzeit, zu verändern.
Die Erfindung umfasst ferner eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 20.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens ein Feinbearbeitungswerkzeug zur Feinbearbeitung der Oberfläche des Werkstückes, eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit und wenigstens einen Regler zu Regelung wenigstens eines die Oberflächenbeschaffenheit beschreibenden Oberflächenparameters. Als Regler kann beispielsweise ein P-, I-, PI- oder PID-Regler verwendet werden. Dem Regler ist wenigstens ein Speicher zugeordnet, in dem wenigstens eine Kennfunktion gespeichert ist, die wenigstens eine Abhängigkeit eines Oberflächenparameters von einer Einstellgroße beschreibt.
Bevorzugt ist der Speicher Teil des Reglers. Beispielsweise kann ein Speicher eines Prozessrechners verwendet werden. Alternativ ist es möglich, dass ein externer Speicher verwendet wird. Die mindestens eine Kennfunktion kann z. B. im RAM und/oder auf einer Festplatte, in einem PROM oder EPROM gespeichert sein, welches bevorzugt auswechselbar mit dem Regler kombiniert ist.
Es kann eine Feedbackeinheit vorgesehen sein, um wenigstens ein durch die Erfassungseinrichtung erzeugtes, einen Oberflächenmesswert repräsentierendes Messsignals mit Hilfe der Kennfunktion in wenigstens ein Regelsignal umzuwandeln. Durch das Regelsignal kann eine Veränderung einer Einstellgröße an dem Feinbearbeitungswerkzeug bewirkt oder veranlasst werden.
Die Erfassungseinrichtung kann am Feinbearbeitungswerkzeug vorgesehen sein, insbesondere an diesem befestigt sein. Die Erfassungseinrichtung kann wenigstens einen Messsensor aufweisen. Die Messsensoren können an verschiedenen Höhen bzw. Orten des Feinbearbeitungswerkzeugs angeordnet sein, damit beispielsweise an verschiedenen Höhen einer Bohrung des Werkstücks gemessen werden kann.
Die Messsensoren können optisch, pneumatisch und/oder taktil wirkend ausgebildet sein. Als optischer Messsensor kann beispielsweise ein Laserfokussensor, als pneumatischer Messsensor eine Luftmessdüse und als taktiler Messsensor ein Membran-Tastsystem eingesetzt werden. Die Messsensoren können zur zweidimensionalen und oder dreidimensionalen Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit ausgebildet sein. Beispielsweise kann zur dreidimensionalen Erfassung ein optischer Messensor, beispielsweise ein Weisslicht-Interferometer eingesetzt werden.
Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch 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 Allgemeingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung wesentlicher Teile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Feinbearbeitung von Werkstückoberflächen,
2 zeigt eine schematische Darstellung der Parameter der Abbot-Tragkurve,
3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Einlernprozesses des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem einstufigen Feinbearbeitungsprozess,
5 zeigt ein schematisches Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem mehrstufigen Feinbearbeitungsprozess,
6 zeigt verschiedene Kennfunktionen mit Rauheitsparametern in Abhängigkeit von Einstellgrößen,
7 zeigt eine Kennfunktion mit Einstellgrößenänderungen in Abhängigkeit von Sollwertabweichungen bei einem Rauheitsparameter und
8 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens, wobei empirisch geregelt wird.
Im Folgenden werden die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Feinbearbeitung von Werkstückoberflächen beispielhaft anhand einer Honvorrichtung 11 und eines Honverfahrens erläutert. Die Erfindung ist auch bei anderen Feinbearbeitungsverfahren, z. B. beim Bandfinishen oder beim Lappen, einsetzbar.
In der 1 sind schematisch die Honvorrichtung 11 und ein zu bearbeitendes Werkstück 12 dargestellt. Die Honvorrichtung 11 ist beispielhaft anhand einer Langhubhonvorrichtung zum Honen von mit wenigstens einer Bohrung 13 versehenen Werkstücken 12 gezeigt. Beispielsweise können damit Zylinderlaufbuchsen an Motorblöcken, Pleuelbohrungen oder Bohrungen in Steuergehäusen von Hydraulikventilen gehont werden.
Die Honvorrichtung umfasst ein Honwerkzeug 14, eine am Honwerkzeug befindliche Erfassungseinrichtung 15 und einen mit dem Honwerkzeug 14 und der Erfassungseinrichtung 15 gekoppelten Regler 16.
Das Honwerkzeug 14 besitzt mehrere, insbesondere gleichmäßig am Umfang verteilte Honsteine 17, die mittels eines gesteuerten Zustellvorgangs in direkten Kontakt mit der Bohrungsinnenfläche gebracht werden können. Die Honsteine 17 haben Schleifkörner aus hartem Material, beispielsweise Diamant, Bornitrid, Korund oder dgl.. Je nach Anwendungsfall können Schleifkörner mit einer bestimmten mittleren Korngröße eingesetzt werden. Werden beispielsweise kleinere Körner eingesetzt, so können kleinere Rauhtiefen erzeugt werden. Die Honsteine werden beim Zustellen mit einem Anpressdruck oder einer spezifischen Flächenpressung an die Bohrungsinnenfläche gedrückt. Je höher der Anpressdruck ist, desto tiefer graben sich die Schleifkörner in die Bohrungsinnenfläche ein und desto größer wird demnach die erzielte Rauhtiefe. Es ist möglich, den Anpressdruck während des Honens zu verändern. Vorzugsweise wird zunächst ein hoher Anpressdruck gewählt, so dass relativ viel Material zerspant wird, dann wird ein niedrigerer Anpressdruck gewählt, um eine hohe Oberflächenqualität zu erzeugen. Dieser spezifische Anpressdruckverlauf wird auch „Ausfeuern” genannt. Das Honwerkzeug 14 rotiert beim Honen um eine Werkzeuglängsachse und führt gleichzeitig Hubbewegungen in Form von Auf- und Abwärtsbewegungen aus. Die Drehzahl und damit die Schnittgeschwindigkeit des Honwerkzeugs kann variiert werden. Je nach Anwendungsfall kann auch die Lage der Umkehrpunkte des Honwerkzeugs bzw. der Honleistenüberlauf verändert werden. Je größer der Honleistenüberlauf ist, desto stärker werden die Randbereiche der Bohrung bearbeitet. Beispielsweise lassen sich dadurch tonnenförmige Bohrungskonturen begradigen.
Die Größen Flächenpressung bzw. Anpressdruck, Feinbearbeitungszeit, Feinbearbeitungsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl, Anpressdruckverlauf und Lage der Umkehrpunkte sind Beispiele für Einstellgrößen, die während des Prozesses mittels der Steuereinrichtung in einer später näher erläuterten Weise variiert werden können.
Darüberhinaus gibt es andere Feinbearbeitungsparameter, die ebenfalls einen Einfluss auf die Bearbeitungsqualität haben, die jedoch in der Regel nicht während des Prozesses verändert werden können und daher eine Art Randbedingung darstellen. Solche Feinbearbeitungs- bzw. Honparameter sind beispielsweise Parameter des Kühlschmierstoffs, des Werkstücks und weitere Parameter des Honwerkstücks 14. Kühlschmierstoffparameter sind beispielsweise die Kühlschmierstoffart, die Kühlschmierstoffmenge oder Kühlschmierstofftemperatur. Werkstückparameter sind beispielsweise das Werkstückmaterial, die Werkstückgeometrie, die Werkstücksteifheit oder dgl.. Honwerkzeugparameter sind beispielsweise die Konizität des Honwerkzeugs, die Steifigkeit des Honwerkzeugs, der Honleistenzustand, die Anzahl der Honleisten, die Art der Honleisten oder dgl.. Beim Honleistenzustand ist beispielsweise zu beachten, ob eine neue Honleiste eingesetzt wird oder eine, die bereits mehrere Honprozesse durchlaufen hat. Eine neue Honleiste besitzt eine Kontaktfläche, die noch nicht vollständig an die runde Bohrungswandung angepaßt ist, so dass die Honleiste nicht mit ganzer Fläche anliegt, sondern lediglich mit einzelnen Randabschnitten, so dass es dadurch lokal zu einer Erhöhung des Anpressdruckes kommen kann.
Als Oberflächenparameter werden beispielhaft Rauheitsparameter gewählt. Als Rauheitsparameter kommt beispielsweise die maximale Rauhtiefe R_max in Frage, die die Tiefe der tiefsten Riefe in der Oberfläche beschreibt. Es ist auch die gemittelte Rauhtiefe R_z möglich, die den Mittelwert aus den Einzelrauhtiefen darstellt. Ein weiterer Rauheitspa rameter ist der arithmetische Mittenrauhenwert R_a, der der arithmetische Mittelwert aller Abweichungen von einer Mittellinie durch ein Rauheitsprofil der Bohrungsinnenfläche ist. Ferner sind noch die Rauheitsparameter reduzierte Spitzenhöhe R_pk, Kernrauhtiefe R_k, reduzierte Riefentiefe R_vk und Materialanteil M_r bzw. Traganteil t_p denkbar, die sich aus der in der 2 dargestellten Abbot'schen Tragkurve ableiten.
In der 2 ist im linken Diagramm ein Beispiel eines Rauheitsprofils dargestellt, das verschiedenartige Riefen oder Spitzen aufweist. Dieses Rauhheitsprofil lässt sich anhand eines Schaubildes, das in 2 auf der rechten Seite gezeigt ist, darstellen, bei dem als Abszisse der Materialanteil M bzw. Traganteil aufgetragen ist und als Ordinate die Profil- bzw. Rautiefe R.
Die reduzierte Spitzenhöhe R_pk charakterisiert die Erstreckung des Spitzenbereichs, der durch die höchsten Spitzen der Oberfläche beschrieben wird. Die Profilspitzen sollten möglichst klein sein, um das Einlaufen von geschmierten Gleitflächen, z. B. in Motorzylindern, zu erleichtern. Der Parameter M_r1 beschreibt dementsprechend den Materialanteil im Spitzenbereich. Die Kernrauhtiefe R_k beschreibt die Erstreckung des Kernbereichs. Der Kernbereich mit seinem größten Materialanteil gibt Aufschluss über die wirksame Rauhtiefe nach dem „Einlaufen” und über die Lebensdauer. Kleine R_k-Werte weisen auf einen belastbaren Kernbereich hin. Die reduzierte Riefentiefe R_vk charakterisiert die Erstreckung des Riefenbereichs, der durch die tiefsten Riefen in der Oberfläche beschrieben wird. Der Riefenbereich gibt Aufschluss über die Schmierfähigkeit, denn die ins Material hineinreichenden Riefen nehmen einen großen Teil des Schmieröls auf. Dementsprechend beschreibt der Parameter (100-M_r2) den Traganteil im Riefenbereich. Es ist dem Fachmann klar, dass diese Parameter durch die Prozessführung beim Honen beeinflusst werden können und dass komplizierte Wechselbeziehungen vorliegen können.
Die Erfassungseinrichtung 15 befindet sich bei der Ausführungsform gemäß 1 direkt am Honwerkzeug 14. Alternativ ist es möglich, sie räumlich getrennt auf einer separaten Station anzuordnen, beispielsweise dem Honwerkzeug nachfolgend. Die Erfassungseinrichtung 15 besitzt wenigstens einen Messsensor 18, der beispielsweise im Bereich zwischen den Honleisten bzw. Honsteinen 17 angebracht ist. Vorteilhaft ist es, mehrere Messsensoren 18 jeweils an verschiedenen Höhen des Honwerkzeugs 14 anzubringen, so dass an verschiedenen Höhen der Bohrung 13 gemessen werden kann, um damit beispielsweise einen Gradienten der Rauheit zu erfassen. Der Messsensor 18 gibt ein Messsignal an den Regler 16 ab, das einem Rauheitsmesswert entspricht. Als Messsensor 18 wird hier ein taktil wirkendes Mess-System in Form eines Membran-Tast-Systems eingesetzt. Das Membran-Tast-System besitzt eine Tastnadel, die über die zu prüfende Bohrungsinnenfläche geführt wird. Dabei wird die vertikale Auslenkung der Tastnadel beispielsweise über ein induktives Wegmess-System erfasst und in ein elektrisches Messsignal umgewandelt. Bei einer anderen Ausführungsform ist es möglich ein pneumatisch wirkendes Mess-System, beispielsweise eine Luftmessdüse, einzusetzen. Dabei führen unterschiedliche Rauhigkeiten zu einer Veränderung des Düsendrucks, der gemessen werden kann. Es ist auch möglich, ein optisch wirkendes Mess-System einzusetzen, beispielsweise in Form eines Laser-Fokus-Sensors. Die Arbeitsweise dieses Sensors basiert auf einer Regelung der Linsenposition in einem der Fokus-Linsen-Brennweite entsprechenden konstanten Abstand zur Werkstückoberfläche.
Der Regler 16 dient zum Empfang und zum Verarbeiten der durch die Erfassungseinrichtung 15 erzeugten elektrischen Messsignale. Ggf. kann das Rauheitsprofil der Bohrungsinnenfläche auf einem Display angezeigt werden. Der Regler 16 besitzt eine Analyseeinheit zur Analyse der Rauheitsmesswerte und zum Ermitteln von Rauheitsparametern daraus. Der Regler 16 besitzt ferner wenigstens einen Speicher, in dem verschiedene Kennfunktionen hinterlegt bzw. gespeichert sind. Die Analyse und die Speicherung werden vorzugsweise von einem Prozessrechner übernommen. Die Kennfunktionen beschreiben die Abhängigkeit verschiedener Rauheitsparameter von verschiedenen Einstellgrößen, beispielsweise einer bestimmten Rauheit vom Anpressdruck p_S. Je nach Randbedingung, beispielsweise Kühlschmierstofftyp usw., gibt es mehrere, unterschiedliche Kennfunktionen eines bestimmten Rauheitsparameters von einer bestimmten Einstellgröße. Bei Vorgabe der Randbedingung kann gezielt eine bestimmte Kennfunktion ausgewählt werden. Mit den abgespeicherten Kennfunktionen lassen sich bestimmte Einstellgrößen exakt verändern, um einen ermittelten Istwert eines Rauheitsparameters an einen abgespeicherten Sollwert anzugleichen. Die Veränderung der Einstellgröße wird mittels eines Regelsignals, das vom Regler 16 an das Honwerkzeug 14 übertragen wird, bewirkt. Die Regelung mittels hinterlegter Kennfunktionen wird hier auch als „Feedback-Regelung” bezeichnet.
Verfahren
Um die Kennfunktionen beim Feinbearbeiten, insbesondere Honen, bei Bedarf abrufen zu können, werden sie bei der beschriebenen Variante zunächst einmal aufgenommen und abgespeichert. Dies erfolgt in einem vor der „richtigen” Bearbeitung stattfindenden Referenzfeinbearbeitungsvorgang, der dem im Betrieb durchgeführten Feinbearbeitungsvorgang ähnlich oder weitgehend identisch mit diesem ist. Im Folgenden wird dies beispielhaft an einem Honvorgang erläutert. Das Referenzhonen erfolgt an einem Referenzwerkstück, das ebenfalls ähnlich zu den zu bearbeitenden Werkstücken oder identisch mit diesen ist.
Der Schritt 298 steht für die Auswahl bzw. die Festlegung relevanter Einstellgrößen beim Referenzfeinbearbeiten. Der Schritt 299 steht für die Festlegung bzw. die Skalierung eines möglichen Regelbereichs beim Referenzfeinbearbeiten. Der Schritt 300 steht für das Einstellen eines bestimmten Einstellgrößenwertes beim Referenzfeinbearbeiten. Die Schritte 301, 401, 501 und 801 stehen für das Erfassen der Oberflächenbeschaffenheit zur Ermittlung von Oberflächenmesswerten beim Referenzfeinbearbeiten, beim einstufigen und beim mehrstufigen Feinbearbeitungsprozess. Die Schritte 302, 402, 502 und 802 stehen für die Analyse der Oberflächenmesswerte zur Ermittlung eines Istwerts eines oder eines ersten Oberflächenparameters. Der Schritt 303 steht für die Ermittlung einer Kennfunktion beim Referenzfeinbearbeiten. Der Schritt 304 steht für das Abspeichern der Kennfunktion. Die Schritte 405, 505 und 805 stehen für einen Ist-Sollwertvergleich zur Ermittlung einer Sollwertabweichung. Die Schritte 406 und 506 stehen für die Veränderung einer oder einer ersten Einstellgröße mit Hilfe wenigstens einer zuvor ermittelten Kennfunktion. Der Schritt 507 steht für die Ermittlung des zu erwartenden Istwerts eines zweiten Oberflächenparameters. Der Schritt 508 steht für eine Veränderung einer zweiten oder weiteren Einstellgröße. Der Schritt 809 steht für die Veränderung einer Einstellgröße ohne Rückgriff auf eine Kennfunktion.
In der 3 ist schematisch ein Flussdiagramm eines Referenzhonvorganges dargestellt, der zum Einlernen verschiedener Kennfunktionen verwendet wird. Zunächst wird gemäß Schritt 298 eine Auswahl geeigneter Einstellgrößen getroffen, die nachher beim „richtigen” Honen per Kennfunktion verändert werden sollen, beispielsweise wird der Anpressdruck oder die Honzeit t_H ausgewählt. Dann wird gemäß Schritt 299 ein möglicher Regelbereich der ausgewählten Einstellgrößen festgelegt, beispielsweise wird beim Anpressdruck p_S festgelegt, die Kennfunktion in einem bestimmten Anpressdruckbereich zwischen einem Minimaldruck x und einem Maximaldruck y aufzunehmen. Dann wird gemäß Schritt 300 ein bestimmter Wert einer Einstellgröße, beispielsweise ein bestimmter Anpressdruckwert zwischen den Honsteinen und der Boh rungsinnenfläche am Referenzwerkstück eingestellt. Gemäß Schritt 301 wird als nächstes die Oberflächentopografie der Bohrungsinnenfläche mittels der Messsensoren 18 erfaßt und es werden Referenzrauheitsmesswerte ermittelt. Die Rauheitsmesswerte werden anhand von Messsignalen an den Regler 16 übermittelt. Im Regler 16 wird gemäß Schritt 302 eine Analyse der Referenzrauheitsmesswerte vorgenommen und daraus verschiedene Werte von Rauheitsparametern ermittelt. Ein solcher Rauheitsparameter kann beispielsweise die gemittelte Rauhtiefe R_z sein. Es wird also zunächst für einen bestimmten Wert einer Einstellgröße ein dazu gehöriger Referenzwert eines Rauheitsparameters ermittelt.
Als nächstes wird gemäß Schritt 300 der Wert der Einstellgröße verändert und wiederum gemäß den Schritten 301 und 302 ein neuer, zweiter Referenzwert des betreffenden Rauheitsparameters ermittelt. Im Folgenden wird ein dritter, vierter usw. Referenzwert ermittelt. Durch die schrittweise Veränderung der Einstellgröße können somit eine Vielzahl von Referenzwerten von Rauheitsparametern erzeugt werden. Aus diesen Referenzwerten erhält man gemäß Schritt 303 mittels Extrapolieren eine Kennfunktion, beispielsweise eine Kennkurve. Die Kennfunktion wird gemäß Schritt 304 abgespeichert, so dass beim Honen darauf zurückgegriffen werden kann.
In 4 ist schematisch ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem einstufigen Honvorgang dargestellt. Im Folgenden wird als Rauheitsparameter stellvertretend die mittlere Rauhtiefe R_z und als Einstellgröße der Anpressdruck p_S genommen. Es versteht sich, dass auch andere Kombinationen zwischen Einstellgrößen und Rauheitsparametern möglich sind.
Das in 1 dargestellte Honwerkzeug 14 wird in das zu bearbeitende Werkstück 12 eingefahren und die Honsteine 17 werden zugestellt, so dass sie mit der Bohrungsinnenfläche in Kontakt kommen und mit einem Anfangsanpressdruck darauf gepresst werden. Der Honvorgang beginnt und das Honwerkzeug 14 führt eine Rotationsbewegung um seine Werkzeuglängsachse aus und gleichzeitig Auf- und Abwärtshübe. Die Honsteine 17 erzeugen auf der Bohrungsinnenfläche ein charakteristisches Rauhigkeitsprofil. Gemäß Schritt 401 wird die Rauheit der Bohrungsinnenfläche durch die Messsensoren 18 an verschiedene Höhen der Bohrung 13 erfasst, um Rauheitsmesswerte zu ermitteln. Die Rauheitsmesswerte werden in Form von Messsignalen an den Regler 16 übermittelt. Im Regler 16 wird gemäß Schritt 402 eine Analyse der Rauheitsmesswerte durchgeführt, um einen Istwert der gemittelten Rauhtiefe R_z zu ermitteln. Der Istwert der gemittelten Rauhtiefe wird mit einem vorgegebenen Sollwert gemäß Schritt 405 verglichen, um eine Sollwertabweichung zu bestimmen. Liegt die Sollwertabweichung in einem zulässigen Toleranzfeld, wird der Anpressdruck nicht verändert. Überschreitet jedoch die Sollwertabweichung die vorgegebene zulässige Maximalabweichung, muss der Anpressdruck p_S gemäß Schritt 406 verändert werden, um die tatsächliche gemittelte Rauhtiefe an ihren Sollwert anzugleichen. Ist der Istwert der gemittelten Rauhtiefe R_z zu hoch, sind die durch die Honsteine 17 erzeugten Riefen im Mittel zu tief und der Anpressdruck muss derart verändert werden, damit sich die Körner der Honsteine nicht mehr so tief in die Bohrungsinnenfläche eingraben. Die Veränderung des Anpressdrucks erfolgt anhand der zuvor im Referenz- bzw. Einlernprozess aufgenommenen Kennfunktion, auf die der Regler 16 zurückgreift. Diese Kennfunktion gibt vor, dass im konkreten Fall der Anpressdruck um ein bestimmtes Maß verringert werden muss, um das zuvor beschriebene Ziel zu erreichen. Der Regler 16 gibt ein Regelsignal an das Honwerkzeug 14 ab, so dass der Anpressdruck p_S bzw. die Flächenpressung verringert wird. Auf welche der verschiedenen Kennfunktionen, die alle die Abhängigkeit der gemittelten Rauhtiefe R_z vom Anpressdruck beschreiben, Der Regler zurückgreift, hängt von den Honparametern bzw. Randbedingungen ab, die vor dem Honvorgang einzugeben sind.
Nach Veränderung des Anpressdrucks p_S kann eine nochmalige Überprüfung des damit erzielten Istwerts der gemittelten Rauhtiefe R_z durchgeführt werden, um sicher zu stellen, dass der neue Istwert an den Sollwert angeglichen ist. Es kann vorkommen, dass sich während des Honens unvorhergesehen beispielsweise das Gefüge des Werkstücks ändert, was wiederum Auswirkungen auf die Rauheitsparameter, insbesondere auf den Istwert der gemittelten Rauhtiefe R_z haben kann. Sollte dadurch eine nicht tolerierbare Sollwertabweichung auftreten müsste der Anpressdruck p_S nochmals verändert werden. Zwischen den einzelnen Schritten 401 ff. kann, wie in 4 beispielhaft nach Schritt 401 dargestellt, ein Zeit- bzw. Verzögerungsglied eingesetzt werden, um damit die Dynamik des Prozesses zu beeinflussen. Gegenfalls kann anstelle des Zeitglieds oder insbesondere zusätzlich noch ein Statistikglied eingesetzt werden, um beispielsweise nach Durchführung des Schritts 401 eine bestimmte Anzahl von Rauhigkeitsmesswerten zu mitteln, um mit dem Mittelwert in die Analyse gemäß Schritt 402 zu gehen.
Das in 5 schematisch dargestellte Flussdiagramm beschreibt ein mehrstufiges Honverfahren. Die Schritte 501, 502, 505 und 506 entsprechen den Schritten 401, 402, 405 und 406 des einstufigen Honverfahren. Der mehrstufige Honprozess wird im Nachfolgenden beispielhaft anhand eines zweistufigen Honprozesses mit den aus der Abbott'schen Tragkurve abgeleiteten Rauheitsparametern R_vk und R_k bzw. den Einstellgrößen Anpressdruck p_S und Honzeit t_H erläutert. Der beispielhaft ausgewählte zweistufige Honprozess umfasst eine Basishonstufe B zum Basishonen und eine Plateauhonstufe P zum Plateauhonen.
In 6 sind schematisch die Kennfunktionen R_vk = f(p_S), R_k = f(p_S) und R_k = f(t_H) dargestellt.
Wie in 6 im oberen Teil dargestellt, liegt zwischen dem Istwert R_vk,Ist und dem Sollwert R_vk,Soll eine gemäß Schritt 505 ermittelte Abweichung vor, die nicht innerhalb der zulässigen Toleranzgrenzen liegt. Im konkreten Fall ist der Istwert R_vk,Ist zu niedrig, so dass der Anpressdruck p_s bei einem Basishonen gemäß Kennfunktion 19 erhöht werden muss, um den Istwert R_vk,Ist an den Sollwert R_vk,Soll anzugleichen. Beim Basishonen wird die Basis der Rauheit ausgebildet, d. h. das Basishonen ist für die Erzeugung des R_vk-Wertes maßgeblich, da hier die tiefen Riefen erzeugt werden. Ein geringer R_vk-Wert bedeutet, dass der Riefenbereich zu klein ist, dass also die Tiefe der tiefen Riefen zu gering ist, d. h. die durch die Riefen aufzunehmende Schmierölmenge zu gering ist. Dies kann sich beispielsweise negativ auf das Laufverhalten des Kolbens in einer Zylinderlaufbuchse eines Motorblocks auswirken. Eine Erhöhung des Anpressdrucks p_s beim Basishonen bedeutet eine Verstärkung der Flächenpressung zwischen den Honsteinen 17 und der Bohrungsinnenfläche, so dass sich die Schleifkörner tiefer eingraben und somit tiefere Riefen erzielt werden.
Die Plateauhonstufe P, die der Basishonstufe B nachfolgt und in der Regel die letzte, abschließende Honstufe darstellt, wird mit Honsteinen 17 gefahren, deren Schleifkörner eine geringere mittlere Korngröße im Vergleich zu den Basishon-Honsteinen besitzen, so dass dabei keine sehr tiefen Riefen mehr erzeugt werden können. Folglich muss eine Abweichung des R_vk-Werts vom Sollwert R_vk,Soll bereits beim Basishonen korrigiert werden. Die Veränderung des Anpressdrucks p_S erfolgt gemäß Schritt 506 anhand der im oberen Schaubild dargestellten Kennfunktion in Form der Kennkurve 19. Qualitativ bewirkt eine Steigerung des Anpressdrucks p_S eine Erhöhung des R_vk-Werts. Durch die Kennkurve 19, die im Speicher der Steuereinrichtung 16 hinterlegt ist, ist also eine definierte Steigerung des Anpressdrucks p_S möglich, so dass der Sollwert R_vk,Soll erreicht wird.
Die Steigerung des Anpressdrucks wirkt sich jedoch auch auf den Parameter R_k aus, der die Kernrauhtiefe charakterisiert. Die Abhängigkeit der Kernrauhtiefe R_k vom Anpressdruck p_s ist auf dem darunter liegenden Schaubild mittels der Kennkurve 20 dargestellt. Eine Steigerung des Anpressdrucks p_s bewirkt auch eine Erhöhung des R_k-Werts.
Bei dem Istwert R_vk,Ist liegt der korrespondierende Istwert R_k,Ist so günstig, dass er dem Sollwert R_k,Soll entspricht. Durch die Steigerung des Anpressdrucks p_s verändert sich jedoch nicht nur R_vk in eine günstige Richtung, sondern es verschlechtert sich leider auch der Wert von R_k. Es würde ein Wert R_k* erreicht werden, der außerhalb der Toleranzgrenzen liegt und deshalb unerwünscht ist. Dieser zu erwartende Wert R_k* kann gemäß Schritt 507 anhand der Kennkurve 20 bereits vor dem Einleiten der Plateauhonstufe P ermittelt und berücksichtigt werden.
Um den zu hohen Wert R_k* wieder seinem Sollwert R_k,Soll anzunähern, kann eine zweite Einstellgröße, hier beispielhaft die Honzeit t_H der Plateauhonstufe P, gemäß Schritt 508 verändert werden. Die Abhängigkeit von R_k von der Honzeit t_H ist im rechten Schaubild anhand der Kennkurve 21 dargestellt. Qualitativ bewirkt eine Erhöhung der Honzeit t_H eine Verringerung des R_k-Werts. Als Reaktion auf die Erhöhung des Anpressdrucks p_s beim Basishonen in der ersten Basishonstufe B aufgrund des zu niedrigen R_vk-Werts sollte in der zweiten und letzten Plateauhonstufe die Honzeit t_H gemäß Schritt 508 verlängert werden, um die durch die Erhöhung des Anpressdrucks p_s verursachte unerwünschte Erhöhung der Kernrauhtiefe R_k zu kompensieren. Auch hier ist eine nochmalige Überprüfung der erzielten Istwerte sowie das Einsetzen eines Zeit- oder Statistikglieds möglich.
Alternativ ist eine Kompromisslösung denkbar, in der Art, dass der Anpressdruck p_s beim Basishonen nur so weit erhöht wird, dass sowohl der R_vk-Wert als auch der R_k-Wert im zulässigen Toleranzbereich liegen. Diese „vorausschauende” Verfahrensführung kann dank der Erfindung anhand der Kennfunktionen automatisch durchgeführt werden, ohne dass der Bediener eingreifen muss.
In 7 ist schematisch eine alternative Art einer Kennfunktion beispielhaft anhand der Kennkurve 23 dargestellt. Dabei ist nicht die direkte Abhängigkeit des Rauheitsparameters von der Einstellgröße dargestellt, sondern die Abhängigkeit einer Einstellgrößenänderung von einer Sollwertabweichung, hier beispielhaft anhand einer Änderung des Anpressdrucks Δp_s von der Sollwertabweichung ΔR_vk dargestellt. Ist die Sollwertabweichung ΔR_vk = R_vk,Soll – R_vk,Ist positiv, sind also die beim Basishonen erzeugten Riefen nicht tief genug, muss der Anpressdruck um den Wert Δp_s erhöht werden. Ist die Sollwertabweichung negativ muss der Anpressdruck dementsprechend um den Wert Δp_s vermindert werden.
Wie in 8 dargestellt kann die Regelung des Oberflächenparameters, beispielsweise der gemittelten Rauhtiefe R_z, auch ohne Rückgriff auf eine Kennfunktion, insbesondere empirisch erfolgen. Die Schritte 801 (Meßwerterfassung), 802 (Messwertanalyse) und 805 (Soll-Ist-Vergleich) entsprechen den Schritten 401, 402 und 405 des einstufigenannte, kennfunktionsbezogenen Honverfahrens. Im Folgenden wird das in 8 schematisch dargestellte Verfahren am Beispiel der gemittelten Rauhtiefe R_z als Oberflächenparameter und des Anpressdrucks p_s als Einstellgröße erläutert. Gemäß Schritt 805 wird also der ermittelte Istwert der gemittelten Rauhtiefe R_z,ist mit dem vorgegebenen Sollwert R_z,soll verglichen, um eine Sollwertabweichung zu bestimmen. Ist die Sollwertabweichung überschirtten, wird der Anpressdruck p_s um einen ersten bzw. Anfangs-Änderungswert verändert. Der Betrag des Anfangs-Änderungswertes kann von der Höhe der Regeldifferenz abhängen. Weicht also der Istwert R_z,Ist,1 sehr stark vom Sollwert R_z,soll ab, ist der Betrag des Anfangs-Änderungswertes dementsprechend groß zu wäh len. Zum Beispiel könnte der Anfangs-Änderungswert eine Erhöhung des Anpressdrucks um 2 bar sein, falls der Istwert R_z,ist,1 zu niedrig ist und die Riefentiefe somit durch Erhöhung des Anpressdrucks vergrößert werden müsste.
Als nächstes werden wiederum die Schritte 801, 802, und 805 durchlaufen, um zu kontrollieren, ob der durch den Anfangs-Änderungswert des Anpressdrucks p_s erzielte zweite Istwert R_z,Ist,2 noch vom Sollwert R_z,soll abweicht und dabei die maximale Sollwertabweichung überschreitet. Sollte eine nicht tolerierbare Abweichung vorliegen, muss der Anpressdruck ps erneut verändert werden und zwar um einen zweiten Änderungswert. Beispielsweise könnte festgestellt werden, dass die Regeldifferenz jetzt kleiner ist, der zweite Istwert R_z,Ist,2 aber immer noch zu niedrig ist, so dass der Anpressdruck p_s beispielsweise um 1 bar erhöht wird. Der durch den zweiten Änderungswert des Anpressdrucks p_s erzielte dritte Istwert R_z,Ist,3 wird erneut mit dem Sollwert R_z,soll verglichen. Der Anpressdruck wird so lange verändert, beispielsweise erhöht, bis die zulässige Maximalabweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert von R_z eingehalten wird. Durch dieses selbstregelnde Verfahren ist es möglich, ohne Vorkenntnisse, beispielsweise in Form von Kennfunktionen, den Istwert des Oberflächenparameters seinem vorgegebenen Sollwert anzugleichen.
Eine andere Verfahrensvariante sieht vor, dass der Feinbearbeitungsprozess ausschließlich auf Grundlage mindestens einer Kennfunktion gesteuert wird. Dabei wird auf eine Rückkopplung von Messwerten im Sinne einer Regelung verzichtet. Das Verfahren setzt normalerweise eine aufwendige Ermittlung von Kennfunktionen und geringe Streuungen bei den Parametern voraus, die Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis haben (z. B. Werkstück- und Werkzeugparameter etc.).

Claims

Verfahren zur Feinbearbeitung einer eine Oberflächenbeschaffenheit aufweisenden Oberfläche eines Werkstücks, bei dem eine Regelung wenigstens eines die Oberflächenbeschaffenheit beschreibenden Oberflächenparameters durchgeführt wird, gekennzeichnet durch eine Regelung mit folgenden Schritten: 1.1 Erfassen der Oberflächenbeschaffenheit an wenigstens einem Werkstückabschnitt zur Ermittlung wenigstens eines Oberflächenmesswerts, 1.2 Analyse des Oberflächenmesswerts zur Ermittlung wenigstens eines Istwerts wenigstens eines Oberflächenparameters, 1.3 Vergleich des Istwerts mit einem vorgegebenen Sollwert des Oberflächenparameters zur Ermittlung einer Sollwertabweichung, 1.4 Veränderung wenigstens einer den Oberflächenparameter beeinflussenden Einstellgröße anhand einer vorgegebenen Kennfunktion zur Angleichung des Istwerts an den Sollwert, falls eine vorgegebene zulässige Maximalabweichung überschritten wird, 1.5 Wiederholung der Schritte 1.1 bis 1.4 solange bis eine Differenz zwischen einem durch die Veränderung der Einstellgröße erzielten weiteren Istwert und dem Sollwert die zulässige Maximalabweichung unterschreitet oder dieser entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennfunktion die Abhängigkeit des Oberflächenparameters von der Einstellgröße beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennfunktion die Abhängigkeit einer Einstellgrößenveränderung von der Sollwertabweichung beschreibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Oberflächenparameter um mindestens einen eine Oberflächentopograhie beschreibenden Parameter, insbesondere um wenigstens einen Rauheitsparameter handelt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauheitsparameter ausgewählt ist aus der Gruppe mit maximaler Rauhtiefe R_max, gemittelter Rauhtiefe R_z, arithmetischer Mittenrauhwert R_a, reduzierter Spitzenhöhe R_pk, Kernrauhtiefe R_k, reduzierter Riefentiefe R_vk und Materialanteil M_r.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellgröße ausgewählt ist aus der Gruppe mit Flächenpressung zwischen einem Feinbearbeitungswerkzeug und dem Werkstück, Feinbearbeitungszeit, Feinbear beitungsgeschwindigkeit, Anpressdruckverlauf, Lage der Umkehrpunkte eines Feinbearbeitungswerkzeugs beim Feinbearbeiten und Aufmass.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennfunktion in Abhängigkeit wenigstens eines Feinbearbeitungsparameters ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Feinbearbeitungsparameter ausgewählt ist aus der Gruppe mit Feinbearbeitungswerkzeugparameter, Werkstückparameter und Kühlschmierstoffparameter.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Feinbearbeiten wenigstens eine Kennfunktion in einem einem Feinbearbeitungsvorgang ähnlichen Referenzfeinbearbeitungsvorgang aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Referenzfeinbearbeitungsvorgang zunächst ein erster Referenzwert wenigstens eines Oberflächenparameters in Abhängigkeit wenigstens eines vorgegebenen Einstellgrößenwertes ermittelt wird, dann der Einstellgrößenwert verändert wird um mindestens einen zweiten Referenzwert zu ermitteln, die Referenzwerte analysiert werden um wenigstens eine, die Abhängigkeit des Oberflächenparameters von der Einstellgröße beschreibende Kennfunktion zu ermitteln und die Kennfunktion gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschaffenheit während des Feinbearbeitens erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschaffenheit nach dem Feinbearbeiten erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschaffenheit an mehreren Abschnitten des Werkstücks, insbesondere gleichzeitig, erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschaffenheit an verschiedenen Höhen einer Bohrung des Werkstücks erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschaffenheit optisch, pneumatisch und/oder taktil erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschaffenheit zweidimensional und/oder dreidimensional erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mehrstufige Feinbearbeitung mit einem ersten Feinbearbeitungsschritt und mindestens einem zweiten Feinbearbeitungsschritt, wobei in oder nach dem ersten Feinbearbeitungsschritt ein Istwert wenigstens eines Oberflächenparameters ermittelt wird und eine Einstellgröße des zweiten Feinbearbeitungsschrittes entsprechend dem Oberflächenparameter eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mehrstufige Feinbearbeitung mit einem ersten Feinbearbeitungsschritt und mindestens einem zweiten Feinbear beitungsschritt, wobei ein durch den ersten Feinbearbeitungsschritt bestimmter Oberflächenparameters ermittelt und ggf. als Reaktion auf eine Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert dieses Oberflächenparameters wenigstens eine Einstellgröße des ersten Feinbearbeitungsschrittes verändert wird, ein für die veränderte erste Einstellgröße zu erwartender Istwert mindestens eines zweiten Oberflächenparameters anhand einer die Abhängigkeit des zweiten Oberflächenparameters von der ersten Einstellgröße beschreibenden Kennfunktion ermittelt wird, und als Reaktion auf eine Abweichung des zu erwartenden Istwerts vom Sollwert für den zweiten Oberflächenparameter eine zweite Einstellgröße eingestellt wird, falls der zu erwartende Istwert eine zulässige Maximalabweichung vom Sollwert des zweiten Oberflächenparameters überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einstellgröße und die zweite Einstellgröße unterschiedliche Einstellgrößen sind, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe von Einstellgrößen gemäß kennzeichnendem Teil von Anspruch 6.
Vorrichtung zur Feinbearbeitung einer eine Oberflächenbeschaffenheit aufweisenden Oberfläche eines Werkstücks (12), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19, mit mindestens einem Feinbearbeitungswerkzeug (14) zur Feinbearbeitung der Oberfläche des Werkstücks (12), einer Erfassungseinrichtung (15) zur Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit und wenigstens einem Regler (16) zur Regelung wenigstens eines die Oberflächenbeschaffenheit beschreibenden Oberflächenparameters, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Speicher zur Speicherung wenigstens einer, wenigstens eine Abhängigkeit eines Oberflächenparameters von einer Einstellgröße beschreibenden, Kennfunktion (19, 20, 21) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellgröße ausgewählt ist aus der Gruppe mit Flächenpressung zwischen einem Feinbearbeitungswerkzeug und dem Werkstück, Feinbearbeitungszeit, Feinbearbeitungsgeschwindigkeit, Anpressdruckverlauf, Lage der Umkehrpunkte eines Feinbearbeitungswerkzeugs beim Feinbearbeiten und Aufmass.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennfunktion in Abhängigkeit wenigstens eines Feinbearbeitungsparameters ermittelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Feinbearbeitungsparameter ausgewählt ist aus der Gruppe mit Feinbearbeitungswerkzeugparameter, Werkstückparameter und Kühlschmierstoffparameter.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feedbackeinheit zur Verarbeitung wenigstens eines durch die Erfassungseinrichtung erzeugten Messsignals mit Hilfe der Kennfunktion (19, 20, 21) in wenigstens ein Regelsignal vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (15) am Feinbearbeitungswerkzeug (14) vorgesehen ist, insbesondere an diesem befestigt ist.
Vorrichtung nach nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (15) wenigstens einen Messsensor (18) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere insbesondere an verschiedenen Höhen des Feinbearbeitungswerkzeugs angeordnete Messsensoren (18) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor (18) optisch, pneumatisch und/oder taktil wirkend ausgebildet ist.