DE19607774A1 - Zylinder und Verfahren zum Honen seiner Innenflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Honen von Zylinder­ innenflächen, insbesondere von Hubkolben-Kraft- und -Arbeits­ maschinen, sowie einen Zylinder, insbesondere einen Arbeits­ zylinder derartiger Maschinen.

Zylinder von derartigen Kraft- und Arbeitsmaschinen, insbe­ sondere von Verbrennungsmotoren, werden üblicherweise innen­ gehont, um eine maßhaltige, zylindrische Bohrungsform und eine gut ölhaltende und für den darin laufenden Kolben und seine Ringe verschleißarme Oberfläche zu bilden.

Die Honbearbeitung ist bekanntlich eine Bearbeitung mit einer drehenden und einer axialen Bewegungskomponente eines Hon­ werkzeuges, wobei jedoch üblicherweise die Umfangskomponente der Bewegung dominiert. Dementsprechend liegen die Kreuzungs­ winkel der Bearbeitungsspuren so, daß sie zur Axialrichtung einen Winkel von mehr als 45° ergeben. Beim Vorhonen wird dabei etwa dieser Winkel, der einem Kreuzungswinkel von 90° entspricht, gewählt, während beim Nach- oder Fertighonen der Kreuzungswinkel eher so gewählt wird, daß sich ein Winkel zur Axialrichtung von 70° bis 75° (Kreuzungswinkel 30° bis 40°) ergibt. Dies entspricht also einem Verhältnis von Axialkompo­ nente zur Umfangskomponente der Bearbeitungsbewegung von 0,2 : 1 bis 1 : 1.

Gehonte Zylinderlaufflächen wurden durch die sich kreuz enden Bearbeitungsspuren wegen ihrer Eigenschaft der Ölhaltung als vorteilhaft angesehen.

Aus der DE-42 46 335 A ist bekannt geworden, derartige Arbeitszylinder ausschließlich axial zu honen. Dabei wird allenfalls eine außerordentlich geringfügige Abweichung von der Axialrichtung noch als möglich angesehen. Die in Axial­ richtung verlaufenden Honspuren sollen nämlich dafür sorgen, daß die mit der Zylinderinnenfläche beim Betrieb einer Maschine zusammenwirkenden Bauteile, d. h. die Kolben und Kolbenringe, eine Mikroform annehmen, die der axial gehonten Fläche entspricht. Es sollen sich also die miteinander zusammenwirkenden Teile aufeinander abrichten. Dies ist nur mit axial verlaufenden Honspuren möglich.

AUFGABE UND LÖSUNG

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Honen von Zylinderinnenflächen und einen solchen Zylinder zu schaffen, der im Zusammenwirken mit in ihm laufenden Bauteilen geringe Reibungswirkung bei geringem Schmierölverbrauch und eine lange Standzeit, d. h. geringen Verschleiß, aufweist. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und den Zylinder nach Anspruch 6 gelöst.

Es hat sich erstaunlicherweise gezeigt, daß eine Honbearbei­ tung mit hoher Axialkomponente der Bearbeitungsbewegung, d. h. einem Verhältnis von Axialkomponente zur Umfangskomponente im Bereich zwischen 1,5 : 1 und 10 : 1 sowohl gegenüber dem normalen Honen mit einer Axialkomponente zwischen 0,2 : 1 und 1 : 1 als auch gegenüber dem reinen Axialhonen mit einem theoretisch unendlich großen Verhältnis Axial/Umfangskomponente bzw. einem weit über 10 : 1 liegenden Verhältnis erstaunliche Vorteile bringt. Dies war nicht zu erwarten, weil hier scheinbar die Vorteile beider bekannter Prinzipien aufgegeben werden, nämlich die überwiegend in Querrichtung verlaufenden "Ölhaltekanäle" üblich gehonter Flächen und die automatische Einschleifwirkung beim Axialhonen. Insbesondere im bevorzug­ ten Axial/Umfangsverhältnis zwischen 2 : 1 und 5 : 1, vorzugswei­ se bei 4 : 1, entsteht ein Winkel gegenüber der Axialrichtung in der Größenordnung von 12° bis knapp 30° so daß zwischen den Honspuren rauten- oder rhombenförmige, mit ihrer Spitze in Axialrichtung weisende Felder oder "Inseln" erzielt werden. Diese können in einem anschließenden Honvorgang mit normaler Axialkomponente, also dominierender Umfangsbewegung, und mit besonders feinem Schneidmittel derart bearbeitet werden, daß sie ein "Plateau" bilden, das eine Kernrauhtiefe von weniger als 1 µm R_K, vorzugsweise weniger als 0,5 µm R_K aufweist. Dabei ist die Kernrauhtiefe ein sich aus der Abbott-Kurve ermittelnder Rauhtiefenwert (vgl. DIN 4776).

Die Honspuren der Bearbeitung nach der Erfindung verlaufen zwar mit erheblicher, jedoch nicht ca. 30° überschreitender Neigung gegenüber der Axialrichtung, d. h. der Bewegungsrich­ tung des Kolbens im Zylinder, und können als Drall-Honspuren bezeichnet werden. Versuche an Verbrennungskraftmaschinen haben gezeigt, daß durch diese Bearbeitung der Zylinder der Ölverbrauch geradezu dramatisch verringert werden konnte. Dies gilt vor allem in extremen Belastungszuständen. Die Bedeutung des geringeren Ölverbrauches im Hinblick auf die Verbrauchsminderung an Mineralölprodukten und vor allem für geringere Schadstoffemmissionen ist beachtlich, vor allem, da sie gleichzeitig mit geringeren Reibungswiderständen und damit auch einer Senkung des Kraftstoffverbrauches verbunden ist. Schließlich führt die erzielte Verschleißarmut zu höheren Standzeiten der Motoren sowie höherer Belastbarkeit kleinerer Motoren, was ebenfalls das Gesamt-Verbrauchsniveau senkt. Vergleichbares gilt für andere Kolbenmaschinen, beispielsweise Kompressoren, bei denen vor allem auch die geringere Ölanreicherung im komprimierten Gas vorteilhaft ist.

Diese erstaunlichen Verbesserungen sind auch für den Fachmann schwer erklärbar. Sie könnten sich jedoch daraus ergeben, daß aus den gegenüber normaler Honbearbeitung mehr in Axialrich­ tung verlaufenden Nuten das Öl, das dort noch gut gehalten werden kann, doch leichter auf der Zylinderoberfläche ver­ teilt wird, es gleichzeitig aber auch von den Ölabstreifrin­ gen des Kolbens wieder gut abgestreift wird, so daß weniger davon in den Verbrennungsraum gelangt. Die Drall-Honspuren könnten auch eine erwünschte Drehbewegung der Kolbenringe unterstützen, die also nicht, wie beim reinen Axialhonen angestrebt, stets in einer festen Umfangsposition verbleiben, sondern sich am Kolben drehen, um beweglich zu bleiben. Dazu könnte es beitragen, die sich kreuzenden Honspuren gegenüber der Axialrichtung etwas unsymmetrisch sind, d. h. der Winkel nach der einen Richtung größer ist als nach der anderen. Dies würde den Kolbenringen eine Vorzugsbewegung in eine Richtung erteilen, vor allem, da sie bei Aufwärts- und Abwärtsbewegung unter Umständen unterschiedlich stark belastet sind. Erzielt werden könnte dies durch unterschiedliche Axialgeschwindig­ keiten für die Auf- und Abwärtsbewegung des Honwerkzeuges.

Die Honbearbeitung nach der Erfindung ermöglicht gegenüber dem reinen Axialhonen eine bessere Rundheit und Gleichmäßig­ keit der Honbearbeitung und damit eine verbesserte Makrogeo­ metrie der Oberfläche sowie kürzere Honzeiten infolge des höheren Materialabtrages, der durch die sich kreuzenden Bearbeitungsspuren ermöglicht wird.

Diese 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 Ausfüh­ rungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführun­ gen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.

KURZBESCRREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Honwerkzeuges und eines damit bearbeiteten Abschnittes eines Arbeitszylinders und den darauf vorliegenden Honspuren und

Fig. 2 einen stark überhöhten und vergrößerten Schnitt durch eine Innenfläche eines gehonten Zylinders.

BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELES

Das Honverfahren wird mittels eines normalen Honwerkzeuges 20 ausgeführt, das beispielsweise als Segmentwerkzeug oder als ein Leistenwerkzeug mit relativ dicht beieinander angeordne­ ten Leisten ausgebildet ist. Ein Segmentwerkzeug hat relativ großflächige Segmente 21 mit einem Schneidbelag, die in üblicher Weise in einem Werkzeugkörper aufweitbar gelagert sind, während ein Leistenwerkzeug relativ schmale Honleisten hat. Diese können entweder selbst Schneidmittel enthalten, beispielsweise in keramischer oder Kunststoffbindung oder den Schneidbelag in Form einer Schicht aufgebracht haben. Dabei können auch hochwertige Schneidbeläge aus synthetischem Diamant oder kubisch kristallinem Bornitrid verwendet werden.

Das Werkzeug wird zur Durchführung der Honoperation sowohl drehend als auch axial hin- und hergehend angetrieben, wobei es über die zu honenden Innenflächen 11 eines Zylinders 12 um einen vorgegebenen Betrag, beispielsweise um ein Drittel seiner Länge, überläuft. Nach der Erfindung ist die Axialge­ schwindigkeitskomponente 19 der hin- und hergehenden Bewegung um einiges größer als die Umfangs-Geschwindigkeitskomponente 18 der Bearbeitungsbewegung. Das Verhältnis liegt zwischen 1,5 : 1 und 10 : 1, d. h. bei relativ langsamer Drehung des Honwerkzeuges wird mit hohem Axialanteil der Geschwindigkeit gearbeitet, wobei allerdings die resultierende Geschwindig­ keit im Bereich der normalen Hongeschwindigkeit, d. h. zwi­ schen 15 und 40 in/min liegt. Beim in Fig. 1 gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel wurde mit einem Verhältnis Axial- zu Umfangsge­ schwindigkeit von 4 : 1 gearbeitet, woraus sich ein Winkel der auf der Innenfläche 11 vorhandenen Honspuren 13 dieser Drall- Honbearbeitung zur Zylinderachse 14 von Alpha = ca. 15° ergibt.

Bei der Drall-Honbearbeitung mit erhöhter Axialkomponente wird mit einem Schneidmittel gearbeitet, das einen guten Werkstoffabtrag ermöglicht, beispielsweise mit einem Diamant­ honbelag mit einer Körnung D30 bis D80 (Korndurchmesser zwischen 30 und 80 µm). Diese Bearbeitung erzeugt auf einer vorgehonten Oberfläche eine Oberfläche mit guter Bohrungsgeo­ metrie (Rundheit, Geradheit, geringe Welligkeit) und nicht zu tiefen, aber deutlichen, sich kreuzenden Drall-Honspuren 13. Das Vorhonen wurde mit einem üblichen Honwerkzeug mit einem Schneidmittelbelag von D100 bis D200 durchgeführt und erzeug­ te eine Rautiefe R_K von ca. 4 bis 6 µm, während das Drall- Honen einen R_K-Wert von 2,5 bis 3 µm erzeugt.

Über diese drallgehonte Fläche wird anschließend mit einer weiteren Honbearbeitung ein Honspurenbild 15 gelegt, das Honspuren aufweist, die kaum noch merklich sind und unter einem Winkel zwischen 65° und 75° zur Achsrichtung verlaufen (Kreuzungswinkel 30° bis 45°).

Diese Gleithon-Nachbearbeitung, die mit einem Honbelag kleiner Körnung zwischen D10 und D20 vorgenommen wird, dient dazu, die Spitzen des Oberflächenprofiles in der Größenord­ nung von 1 bis 5 µm abzuschneiden, und zwar in nur relativ wenigen, beispielsweise zehn Arbeitshüben. Das Axial/Umfangs­ geschwindigkeitsverhältnis bei der Bearbeitung liegt also dabei in der Größenordnung zwischen 0,3 und 0,6 : 1 und es wird mit geringen Anpressdrücken zwischen 80 und 200 N/cm², vorzugsweise 120 bis 160 N/cm² gearbeitet. Die Spitzen werden durch einen echten Schneidvorgang mit geringem Anpressdruck abgeschnitten und abgetragen. Dies unterscheidet sich deut­ lich vom sogenannten Reibplattieren, das mit hohem Anpress­ druck arbeitet und die Spitzen hauptsächlich plattdrückt. Dadurch entsteht beim Reibplattieren die Gefahr der sogenann­ ten Blechmantelbildung, die zum Abschluß von Graphitlamellen führt.

Es entsteht dadurch ein ideales Plateauprofil, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Hierzu sei bemerkt, daß die Herstellung eines Plateaus generell schon durchgeführt wurde, bei der Erfindung jedoch durch die in Drallrichtung verlaufenden Honspuren sich die Plateaubildung auf die Brauchbarkeit der Oberfläche als Zylinderinnenfläche besonders vorteilhaft auswirkt. Bei diesem Profil sind die relativ tiefen Drallhon­ spuren 13 zu erkennen, die zwischen sich "Plateaus" 16 bilden, die eine rhombische Form (siehe Fig. 1) mit den Spitzen in Achsrichtung haben. Innerhalb der Plateaus ist durch Abschneiden der vorher vorhandenen Spitzen beim Nachho­ nen mit dem feinen Schneidbelag eine tragende Plateauoberflä­ che geschaffen worden, während in den dazwischen liegenden "Tälern" 13 das Öl gehalten wird.

Testläufe mit Kraftfahrzeugmotoren haben gezeigt, daß der Ölverbrauch teilweise um das drei- bis vierfache gesenkt werden konnte und vor allem auch der Anfangsölverbrauch bei neuem Motor und auch bei jedem Startvorgang wieder gering war, so daß die strengen Schadstoffnormen unterboten werden konnten. Erstaunlicherweise hat sich auch gezeigt, daß die Oberfläche sich beim Einlaufen des Motors kaum veränderte. Während normalerweise gerade im Bereich des oberen Totpunktes der Unterschied zwischen der vom Kolben überstrichenen Fläche und der reinen Verbrennungsraumfläche nach einiger Testlauf­ zeit deutlich zu erkennen ist, ist hier kaum ein Unterschied festzustellen, was auf geringe Verschleißtendenz hinweist.

Claims (12)

1. Verfahren zum Honen von Zylinder-Innenflächen (11), insbesondere von Arbeitszylindern von Hubkolben-Kraft- und Arbeitsmaschinen, bei dem mit einer drehenden und axialen Bewegungskomponente eines Honwerkzeuges (20) gearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Honbearbeitung mit hoher Axialkomponente (19) der Bearbeitungsbewegung im Vergleich zur Umfangskomponente (18) durchgeführt wird, wobei das Verhältnis der Axial­ komponente (19) zur Umfangskomponente (18) zwischen 1,5 : 1 und 10 : 1 liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Axial/Umfangsverhältnis der Bearbeitungsbewegung zwischen 2 : 1 und 5 : 1, vorzugsweise bei 4 : 1 liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Honarbeitsgang mit großer Axialkomponente (19) eine Hon-Schlußbearbeitung mit normalem Axial/Um­ fangsverhältnis der Bearbeitungsbewegung zwischen 0,2 : 1 und 1 : 1, vorzugsweise 0,3 : 1 bis 0,6 : 1, vorgeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Honvorgang mit ver­ gleichsweise hoher Axialkomponente (19) einem Vorhon- Arbeitsgang mit normalem Axial/Umfangsgeschwindigkeits­ verhältnis von 0,2 : 1 bis 1 : 1, vorzugsweise bei 1 : 1, nachgeschaltet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Honvorgang mit ver­ gleichsweise großer Axialkomponente (19) mit unter­ schiedlichem Axialumfangs-Verhältnis der Bearbeitungsbe­ wegung bei der Hin- und Herbewegung des Honwerkzeuges (20) durchgeführt wird.

6. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an eine andere Honbear­ beitung eine Gleithonschluß-Bearbeitung mit einem harten Schneidmittel, vorzugsweise Diamant, mit einer Körnung von D 10 bis 20 und mit einem Anpressdruck unter 200 N/cm², vorzugsweise 140 bis 160 N/cm² durchgeführt wird

7. Zylinder, insbesondere Arbeitszylinder (12) von Hubkol­ ben-, Kraft- und Arbeitsmaschinen, dessen Innenfläche (11) sich kreuzende Hon-Bearbeitungsspuren aufweist, gekennzeichnet durch Drall-Honspuren (13), die von der Axialrichtung (14) des Zylinders (12) um 5° bis 30°, vorzugsweise 10° bis 20° abweichen.

8. Zylinder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Drallhonspuren (13) Honspuren (15) wenigstens einer anderen Honbearbeitung mit von der Axialrichtung (14) des Zylinders (12) um 45° bis 75° abweichender Richtung vorhanden sind, die die Drallbear­ beitungsspuren (13) überlagern, wobei jedoch vorzugswei­ se die Drallbearbeitungsspuren (13) im Oberflächenbild dominieren.

9. Zylinder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallhonspuren (13) tiefer sind als die Honspuren (15) der anderen Honbearbeitung, wobei zwischen den Drallhonspuren (13) im wesentlichen ein Plateau (16) geschaffen ist.

10. Zylinder nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallhonspuren (13) eine Tiefe von bis zu 7 µm, vorzugsweise 2 bis 5 µm (R_z nach DIN 4776) haben.

11. Zylinder nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Drallhonspuren (13) liegende Plateaus (16) eine Kernrauhtiefe R_K von kleiner als 1 µm, vorzugsweise kleiner als 0,5 µm aufweisen.

12. Zylinder nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in unterschiedliche Richtungen weisenden Drallhonspuren (13) unterschiedliche Winkel zur Axialrichtung (14) des Zylinders (12) aufweisen.