DE19607774B4

DE19607774B4 - Verfahren zum Honen von Innenflächen eines Zylinders und Zylinder

Info

Publication number: DE19607774B4
Application number: DE1996107774
Authority: DE
Inventors: Wolf Dipl.-Ing. Nagel
Original assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1996-03-01
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2016-03-02
Also published as: DE19607774A1

Abstract

Verfahren zum Honen von Innenflächen (11) eines Zylinders (12), insbesondere von Arbeitszylindern von Hubkolben-, Kraft- und Arbeitsmaschinen, wobei mit einer drehenden und einer axialen Bewegungskomponente eines Honwerkzeuges (20) gearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Honbearbeitung mit hoher Axialgeschwindigkeits-Komponente (19) der Bearbeitungsbewegung im Vergleich zur Umfangsgeschwindigkeits-Komponente (18) durchgeführt wird, wobei das Verhältnis der Axialgeschwindigkeits-Komponente (19) zur Umfangsgeschwindigkeits-Komponente (18) zwischen 2:1 und 10:1 liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Honen von Innenflächen eines Zylinders nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen Zylinder nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.

Zylinder von Hubkolben-, Kraft- und Arbeitsmaschinen, insbesondere von Verbrennungsmotoren, werden üblicherweise innengehont, 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 Honwerkzeuges, wobei jedoch üblicherweise die Umfangskomponente der Bewegung dominiert. Dementsprechend liegen die Kreuzungswinkel 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 Axialkomponente zur Umfangskomponente der Bearbeitungsbewegung von 0,2:1 bis 1:1 (vgl. auch Patent Abstracts of Japan, JP 59196954 A und ABC des Honens, Band Fertigungstechnik, NAGEL Maschinen- u. Werkzeugfabrik GmbH, 7440 Nürtingen, 1968, Abschnitt Honen, 1. Einflussgrößen).

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

Aus der DE 42 26 335 A1 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 Axialrichtung 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 Innenflächen eines Zylinders 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 5 gelöst.

Es hat sich erstaunlicherweise gezeigt, dass eine Honbearbeitung mit hoher Axialkomponente der Bearbeitungsbewegung, d.h. einem Verhältnis von Axialkomponente zur Umfangskomponente im Bereich zwischen 2:1 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 "Ölhalte kanäle" üblich gehonter Flächen und die automatische Einschleifwirkung beim Axialhonen. Insbesondere im bevorzugten Axial/Umfangsverhältnis zwischen 2:1 und 5:1, vorzugsweise 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 1μm RK, vorzugsweise weniger als 0,5μm RK 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 Bewegungsrichtung 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 Axialrichtung verlaufenden Nuten das Öl, das dort noch gut gehalten werden kann, doch leichter auf der Zylinderoberfläche verteilt wird, es gleichzeitig aber auch von den Ölabstreifringen 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 Umfangsosition 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 Axialgeschwindigkeiten 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 Makrogeometrie der Oberfläche sowie kürzere Honzeiten infolge des höheren Materialabtrages, der durch die sich kreuzenden Bearbeitungsspuren ermöglicht wird.

Testläufe mit Kraftfahrzeugmotoren haben gezeigt, daß der Öl-erbrauch 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 Testlaufzeit deutlich zu erkennen ist, ist hier kaum ein Unterschied festzustellen, was auf geringe Verschleißtendenz hinweist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Honwerkzeuges und eines damit bearbeiteten Abschnittes eines Zylinders und den darauf vorliegenden Honspuren und
2 einen stark überhöhten und vergrößerten Schnitt durch die 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 angeordneten 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 Honwerkzeug 20 wird zur Durchführung der Honoperation sowohl drehend als auch axial hin- und hergehend angetrieben, wobei es über die zu honende Innenfläche 11 eines Zylinders 12 um einen vorgegebenen Betrag, beispielsweise um ein Drittel seiner Länge, überläuft. Nach der Erfindung ist die Axialgeschwindigkeits-Komponente 19 der hin- und hergehenden Bewegung um einiges größer als die Umfangsgeschwindigkeits-Komponente 18 der Bearbeitungsbewegung. Das Verhältnis liegt zwischen 2:1 und 10:1, d.h. bei relativ langsamer Drehung des Honwerkzeuges 20 wird mit hoher Axialgeschwindigkeits-Komponente 19 gearbeitet, wobei allerdings die resultierende Geschwindigkeit im -Bereich der normalen Hongeschwindigkeit, d.h. zwischen 15 und 40 m/min liegt. Beim in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wurde mit einem Axial/Umfangsgeschwindigkeits-Verhältnis von 4:1 gearbeitet, woraus sich ein Winkel der auf der Innenfläche 11 vorhandenen Drall-Honspuren 13 dieser Honbearbeitung zur Axialrichtung 14 von α = ca. 15° ergibt.
Bei der Drall-Honbearbeitung mit erhöhter Axialkomponente wird mit einem Schneidmittel gearbeitet, das einen guten Werkstoffabtrag ermöglicht, beispielsweise mit einem Diamanthonbelag mit einer Körnung D30 bis D80 (Korndurchmesser zwischen 30 und 80μm). Diese Bearbeitung erzeugt auf einer vorgehonten Oberfläche eine Oberfläche mit guter Bohrungsgeometrie (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 erzeugte eine Kernrautiefe R_K von ca. 4 bis 6μm, während das Drall-Honen einen R_K-Wert von 2,5 bis 3μm erzeugt.
Über diese drallgehonte Fläche werden anschließend mit einer weiteren Honbearbeitung Honspuren 15 gelegt, die kaum noch merklich sind und unter einem Winkel zwischen 65°- und 75° zur Axialrichtung 14 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 Größenordnung von 1 bis 5μm abzuschneiden, und zwar in nur relativ wenigen, beispielsweise zehn Arbeitshüben. Das Axial/Umfangsgeschwindigkeitsverhältnis 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 deutlich vom sogenannten Reibplattieren, das mit hohem Anpressdruck arbeitet und die Spitzen hauptsächlich plattdrückt. Dadurch entsteht beim Reibplattieren die Gefahr der sogenannten Blechmantelbildung, die zum Abschluß von Graphitlamellen führt.
Es entsteht dadurch ein ideales Plateauprofil, wie es in 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 Drallhonspuren 13 zu erkennen, die zwischen sich Plateaus 16 bilden, die eine rhombische Form (siehe 1) mit den Spitzen in Axialrichtung 14 haben. Innerhalb der Plateaus ist durch Abschneiden der vorher vorhandenen Spitzen beim Nachhonen mit dem feinen Schneidbelag eine tragende Plateauoberfläche geschaffen worden, während in den dazwischen liegenden "Tälern" das Öl gehalten wird.

Claims

Verfahren zum Honen von Innenflächen (11) eines Zylinders (12), insbesondere von Arbeitszylindern von Hubkolben-, Kraft- und Arbeitsmaschinen, wobei mit einer drehenden und einer axialen Bewegungskomponente eines Honwerkzeuges (20) gearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Honbearbeitung mit hoher Axialgeschwindigkeits-Komponente (19) der Bearbeitungsbewegung im Vergleich zur Umfangsgeschwindigkeits-Komponente (18) durchgeführt wird, wobei das Verhältnis der Axialgeschwindigkeits-Komponente (19) zur Umfangsgeschwindigkeits-Komponente (18) zwischen 2:1 und 10:1 liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Axial/Umfangsgeschwindigkeitsverhältnis der Bearbeitungsbewegung zwischen 2:1 und 5:1, vorzugsweise bei 4:1, liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Honbearbeitung mit hoher Axialgeschwindigkeits-Komponente (19) einer Nachhon-Bearbeitung mit normalem Axial/Umfangsgechwindigkeitsverhältnis der Bearbeitungsbewegung zwischen 0,2:1 und 1:1, vorzugsweise 0,3:1 bis 0,6:1, vorgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Honbearbeitung mit hoher Axialgeschwindigkeits-Komponente (19) einer Vorhon-Bearbeitung mit normalem Axial/Umfangsgeschwindigkeitsverhältnis der Bearbeitungsbewegung von 0,2:1 bis 1:1, vorzugsweise bei 1:1, nachgeschaltet wird.
Zylinder (12), insbesondere Arbeitszylinder von Hubkolben-, Kraft- und Arbeitsmaschinen, hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dessen Innenfläche (11) sich kreuzende Honbearbeitungsspuren aufweist, gekennzeichnet durch Drall-Honspuren (13), die von der Axialrichtung (14) des Zylinders (12) um 5° bis 30°, vorzugsweise 10° bis 20°, abweichen.
Zylinder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Drall-Honspuren (13) Honspuren (15) wenigstens einer weiteren Honbearbeitung mit von der Axialrichtung (14) des Zylinders (12) um 45° bis 75° abweichenden Richtung vorhanden sind, die die Drall-Honspuren (13) überlagern, wobei jedoch vorzugsweise die Drall-Honspuren (13) im Oberflächenbild dominieren.
Zylinder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drall-Honspuren (13) tiefer sind als die Honspuren (15) der weiteren Honbearbeitung, wodurch sich zwischen den Drall-Honspuren (13) Plateaus (16) bilden.
Zylinder nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drall-Honspuren (13) eine Tiefe R_Z von bis zu 7 μm, vorzugsweise 2 bis 5 μm, haben.
Zylinder nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Drall-Honspuren (13) liegenden Plateaus (16) eine Kernrauhtiefe R_K von kleiner als 1 μm, vorzugsweise kleiner als 0,5 μm, aufweisen.