DE19950168A1 - Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufflächen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung von Zylinderlaufflächen, insbesondere in Brennkraftmaschinen, mit Hilfe dessen Zylinderlaufflächen mit hoher Genauigkeit und Oberflächenqualität erzeugt werden können. Die Zylinderlaufflächen werden hierbei mit einem mehrschneidigen Werkzeug feingedreht, dessen Drehachse mit der Symmetrieachse der zu bearbeitenden Zylinderlauffläche übereinstimmt, und dessen Schneiden so auf einem Teilkreis um die Drehachse angeordnet sind, daß alle Schneiden gleichzeitig und in gleichem Maße auf die Zylinderlauffläche einwirken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufflächen, insbesondere in Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 4.

Bei den bisherigen Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufflächen werden die Zylinderlaufflä­ chen zunächst gebohrt und dann gehont, um eine gute Oberfläche zu erhalten und die durch das Bohren entstandenen Rundheitsfehler zu korrigieren. Dieses Verfahren ist aufwendig und teuer. Weiterhin entstehen durch das Honen Riefen in der Zylinderlaufflächen, die zu einem schnellen Ablaufen des Öls und daher zu einem hohen Ölverbrauch führen, der die Ölpumpe des Motors stark beansprucht. Schließlich ist der beim Honen entstehende Honschlamm Sonder­ müll und daher teuer zu entsorgen. Somit besteht Interesse daran, das Honen durch einen an­ deren Prozeß zu ersetzen.

Aus der DE 197 06 833 A1 ist ein Verfahren zum Feinspindeln bekannt, durch das der Prozeß­ schritt des Honens ersetzt werden soll. Das Feinspindeln soll zu einer Oberfläche mit gleichmä­ ßigen Schmierstofftaschen führen, die somit den Ölverbrauch vermindern. Um eine gute Ober­ fläche erreichen zu können, setzt das in der DE 197 06 833 A1 beschriebene Verfahren jedoch eine hochgenau geführte Exzenterspindel voraus. Dies macht dieses Verfahren teuer und auf­ wendig. Weiterhin kann es notwendig sein, die Oberfläche mit Hilfe eines Lasers nachzubearbei­ ten, wodurch weitere Kosten entstehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein preiswerteres Verfahren vorzuschlagen, mit Hilfe dessen Zylinderlaufflächen mit hoher Qualität und Genauigkeit erzeugt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Danach erfolgt die Feinbearbeitung der Zylinderlaufflächen mit Hilfe eines mehrschneidigen Werkzeugs, dessen Schneiden gleichzeitig auf die Zylinderlauffläche einwirken. Hierzu sind die Schneiden so in dem Werkzeug angeordnet, daß die Außenschneidkanten auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordnet sind, dessen Radius dem Radius der zu fertigenden Zylinderlaufflä­ che entspricht. Das Werkzeug rotiert um eine Achse, die mit der Symmetrieachse der zu bear­ beitenden Zylinderlauffläche zusammenfällt und zentriert sich dadurch in dem zu bearbeitenden Hohlzylinder selbst. Somit kann die Feinbearbeitung mittels einer Bearbeitungsmaschine mit ei­ ner normalen Drehspindel erfolgen, und es wird keine teure und aufwendige Exzenterspindel benötigt. Da die beim Exzenterspindeln notwendige Exzenterverstellung und Meßsteuerung entfällt, können weiterhin formgenauere Bohrungen erzeugt werden: Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Fehler in der zum Antrieb des Werkzeugs verwendeten Werkzeugspindel durch das gleichzeitige Eingreifen der Schneiden, die sich gegenseitig auf der zu bearbeitenden Zylinderbohrung abstützen, größtenteils ausgeglichen, wodurch eine glättende Wirkung auf die Zylinderfläche erreicht wird. Ein sechsschneidiges Werkzeug hat sich dabei als besonders vor­ teilhaft herausgestellt (siehe Anspruch 5).

Gegenüber dem Reiben unterscheidet sich die Erfindung dadurch, daß das erfindungsgemäße Werkzeug wesentlich kürzere Schneiden aufweist als an Reibwerkzeugen üblich ist, und daß die Bearbeitung der zylindrischen Innenfläche beim erfindungsgemäßen Verfahren schwerpunktmä­ ßig einem Stirnschneiden entspricht, während beim Reiben vor allem eine schälende, d. h. seitli­ che Bearbeitung der zu bearbeitenden Zylinderfläche erfolgt.

Die einzelnen Schneiden des Werkzeugs sind zweckmäßigerweise so auf dem Werkzeug ange­ ordnet, daß alle Schneiden mittels einer Hilfsvorrichtung gleichförmig radial gegenüber der Drehachse des Werkzeugs verschiebbar sind (siehe Anspruch 2). Dadurch kann eine Einstellung des Schneidradius' des Werkzeugs erfolgen, bei der sichergestellt ist, daß die Schneiden auch nach der Einstellung wieder hochgenau auf einem gemeinsamen Teilkreis liegen und somit ge­ meinsam auf die zu bearbeitende Zylinderfläche einwirken.

Zur Herstellung der Zylinderlauffläche wird die zu bearbeitende Fläche zunächst mittels einer Grobbearbeitung (insbesondere durch Schruppdrehen) so weit ausgedreht, daß ihr Radius we­ nige Zehntel Millimeter unterhalb des Zielmaßes liegt. Zur Fertigbearbeitung wird die Zylinder­ lauffläche dann zunächst mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug feingedreht, dessen Schnei­ den so eingestellt sind, daß der Abstand der Außenschneidkanten zur Drehachse geringer sind als der gewünschte Radius. Nach diesem Bearbeitungsschritt wird der Radius der Zylinderlauf­ fläche gemessen und mit dem Zielmaß verglichen; entsprechend diesem Differenzwert werden nun die Schneiden des Werkzeugs mittels der Hilfsvorrichtung radial nach außen verschoben und mit dem so eingestellten Werkzeug ein letzter Feindrehschritt durchgeführt, durch den die Zylinderlauffläche das gewünschte Maß und die gewünschte Oberflächenqualität erhält (siehe Anspruch 3). Das auf das Zielmaß eingestellte Werkzeug wird dann zum Feindrehen der gesam­ ten Charge verwendet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs­ beispieles näher erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines Feindrehwerkzeugs und einer zu bearbeitenden Zylinderbuchse;

Fig. 2 eine axiale Aufsicht auf das in Fig. 1 dargestellte Feindrehwerkzeug gemäß einem Schnitt entlang der Linie II-II.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug 1 zur Feinbearbeitung einer Zylinderlauffläche 2 einer in einen Zylinderblock 3 eingebetteten Zylinderlaufbuchse 4. Die Zylinderlaufbuchse 4 be­ steht aus einer spraykompaktierten Aluminium-Legierung, in die Silizium-Körnchen eingebettet sind. Das Werkzeug 1 weist einen topfförmigen Grundkörper 5 auf, an dessen Außenwand 6 im Bereich des dem Zylinderblock 3 zugewandten Randes 7 sechs Schneidplatten 8 befestigt sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen die Schneidplatten 8 aus polykristallinem Dia­ mant und sind an der Außenwand 6 des Grundkörpers 5 eingelötet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, bilden die Außenschneiden 9 der Schneidplatten 8 ein näherungsweise gleichseitiges Sechseck; die Abstände der Außenschneidkanten 9 von der Symmetrieachse 10 des Werkzeugs 1 sind für alle Schneidplatten 8 gleich, so daß alle Außenschneidkanten 9 auf einem Teilkreis 11 mit Radi­ us 12 gegenüber der Symmetrieachse 10 angeordnet sind. Im Innenbereich des topfförmigen Grundkörpers 5 befindet sich ein Spreizring 13, der mit Hilfe einer Spannschraube 14 mit der Basisplatte 15 des Grundkörpers 5 verbunden ist. Ein Kontaktbereich 16 auf dem Spreizring 13, im Bereich dessen der Spreizring 13 den Grundkörper 5 berührt, ist konusförmig ausgestaltet, so daß der Kontaktbereich 16 des Spreizrings 13 einen kleinen Winkel 17 mit der Innenwand 18 des Grundkörpers 5 einschließt. Wird die Spannschraube 14 tiefer in die Basisplatte 15 des Grundkörpers 5 eingeschraubt, so drückt der Kontaktbereich 16 des Spreizrings 13 gegen die Innenwand 18 des Grundkörpers 5, übt dabei eine Dehnung auf die Wände 19 des Grundkör­ pers 5 aus und drückt somit die Schneidplatten 8 von der Symmetrieachse 10 des Werkzeugs 1 weg. Mittels der Spannschraube 14 kann auf diese Weise der Radius 12 des Teilkreises 11 der Außenschneidkanten 9 um etwa 30 µm bis 40 µm vergrößert werden. Diese Dehnung der Wände 19 des Grundkörpers 5 ist weitgehend irreversibel, so daß durch Lösen der Spann­ schraube 14 nur eine vernachlässigbar geringe Verkleinerung des Teilkreisradius 12 eintritt. Ist der Teilkreis 11 daher auf ein gewisses Maß gedehnt, so kann das vorliegende Werkzeug 1 nicht mehr zur Bearbeitung von Zylinderlaufflächen 2 mit kleinerem Radius verwendet werden. Eine Abdeckplatte 20 hält den Innenraum 21 des Spreizrings 13 während der Bearbeitung frei von Spänen und verhindert das unbeabsichtigte Lösen der Spannschraube 14.

Vor der Feinbearbeitung trägt der Innenradius der Zylinderlaufbuchse 4 typischerweise ein Auf­ maß von wenigen Zehntel Millimeter gegenüber dem Sollmaß. Dieses Aufmaß soll nun im letz­ ten Bearbeitungsschritt entfernt werden. Das hierzu verwendete erfindungsgemäße Werkzeug 1 ist so dimensioniert, daß der Abstand 12 der Außenschneid kanten 9 von der Werkzeugachse 10 geringer sind als der auf der Zylinderlaufbuchse 4 zu erzeugende Sollradius der Zylinderlaufflä­ che 2, wobei der Abstand 12 der Außenschneid kanten 9 zur Werkzeugachse 10 aber durch ein - oben beschriebenes - Anziehen der Spannschraube 14 mindestens so weit vergrößert wer­ den kann, daß er dem Sollradius der Zylinderlauffläche 2 entspricht. Der Istwert des Innenradi­ us 22 der Zylinderlaufbuchse 4 beträgt typischerweise etwa 39.7 mm und soll auf einen Soll­ wert von 40.00 mm erhöht werden. Hierzu hat das Werkzeug 1 typischerweise einen Teilkreis­ radius 12 von 39.98 mm, der mit Hilfe der Spannschraube 14 bis auf einen Wert von 40.01 mm gedehnt werden kann.

Für den ersten Prozeßschritt im Zuge der Feinbearbeitung wird die Spannschraube 14 des Werkzeugs 1 so weit in die Grundplatte 15 hineingedreht, daß die Wände 19 des Grundkörpers 5 nur unwesentlich gedehnt sind, die Innenwände 18 aber umlaufend gleichmäßig am Spreizring 13 anliegen; in diesem Dehnungszustand ist der Radius 12 des Teilkreises 11, auf dem sich die Außenschneidkanten 9 befinden, geringer als (oder höchstens gleich groß wie) der Sollradius der Zylinderlauffläche 2. Das Werkzeug 1 wird in ein Futter 23 einer in Fig. 1 nicht näher dar­ gestellten Drehspindel eingespannt, die so gegenüber dem Zylinderblock 3 ausgerichtet ist, daß die Symmetrieachse 10 des Werkzeugs 1 mit der Soll-Symmetrieachse 24 der Zylinderlauffläche 2 übereinstimmt. Wird nun das rotierende Werkzeug 1 in die Zylinderlaufbuchse 4 hineinbewegt, so erfolgt einerseits eine schneidende Bearbeitung der Buchsenoberfläche 25 durch die Stirn­ schneiden 26 der Schneidplatten 8, andererseits eine schälende Bearbeitung durch die Außen­ schneidkanten 9 der Schneidplatten 8. Hierbei sind alle sechs Schneidplatten 8 gleichzeitig im Einsatz; der Verschleiß jeder einzelnen Schneidplatte 8 ist daher wesentlich geringer als bei ei­ nem Werkzeug, das nur eine einzige Schneidplatte aufweist. Weiterhin stellt die näherungsweise äquidistante Verteilung der Schneidplatten 8 auf dem Teilkreis 11 sicher, daß sich die Schneidplatten 8 im Inneren der Zylinderlaufbuchse 4 gegenseitig abstützen, so daß bei der Be­ arbeitung eine hochgenaue, glatte Zylinderfläche erzeugt wird: Die als Begleiterscheinung dieses Feindrehens entstehenden Welligkeiten haben eine sehr geringe Amplitude von wenigen Mi­ krometern und Wellenlängen in der Größenordnung des Durchmessers der Laufbuchse 4. Durch die gegenseitige Abstützung und den dadurch entstehenden Gleiteffekt der Schneidplatten 8 wird nur ein sehr geringer Anteil der in der Zylinderlaufbuchse 4 eingebetteten Silizium- Körnchen aus der Aluminium-Matrix herausgerissen, so daß eine hochgenaue Zylinderlauffläche 2 mit qualitativ hochwertiger Oberfläche entsteht.

Nach diesem ersten Prozeßschritt wird der dabei erzeugte Radius der Zylinderlaufbuchse 4 ge­ messen und mit dem Sollwert verglichen. Ist dieser Meßwert geringer als der Sollwert, dann werden die Schneidplatten 8 des Werkzeugs 1 mit Hilfe der Spannschraube 14 um die dabei ermittelte Differenz nach außen gedrückt und mit diesem aufgeweiteten Werkzeug 1 ein weite­ rer Feinbearbeitungsschritt an der Zylinderlaufbuchse 4 durchgeführt, durch den die Zylinder­ laufbuchse 4 nun den gewünschten Sollradius erhält. Mit Hilfe dieses aufgeweiteten Werkzeugs 1, dessen Teilkreisradius 12 genau dem gewünschten Sollradius entspricht, kann nun eine ge­ samte Charge von Laufbuchsen in jeweils einem einzigen Prozeßschritt bearbeitet werden.

Das hier beschriebene erfindungsgemäße Werkzeug 1 kann zur Bearbeitung von Zylinderlauf­ buchsen aus beliebigen Werkstoffen verwendet werden. Neben der hier beschriebenen Ausge­ staltung des Werkzeugs 1 mit sechs Schneidplatten 8 kann das Werkzeug 1 auch mit drei, vier oder einer beliebigen Zahl von Schneidplatten 8 ausgestattet sein. Weiterhin können die Schneidplatten 8 auch so auf dem Grundkörper 5 befestigt werden, daß sie - statt der gemein­ samen Dehnung mit Hilfe des Spannrings 13 - auch einzeln, z. B. mit Hilfe von verstellbaren Klemmhaltern, verschoben werden können; dies bedeutet jedoch in der Regel einen höheren Einstellaufwand.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufflächen, insbesondere in Brennkraftmaschinen, bei dem die zumindest eine Zylinderlauffläche eines Zylindergehäuses vorgebohrt und an­ schließend durch Feindrehen mechanisch endbearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Endbearbeitung mit Hilfe eines mehrschneidigen Werkzeugs (1) erfolgt, dessen Achse (10) mit der Symmetrieachse (24) der zu bearbeitenden Zylinderlauffläche (2) zu­ sammenfällt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Feindrehen der Zylinderlauffläche (2) ein mehrschneidiges Werkzeug (1) verwen­ det wird, dessen Schneiden (8) gleichförmig radial gegenüber der Drehachse (10) ver­ schiebbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Feindrehen der Zylinderlauffläche (2)

• - zuerst die Zylinderlauffläche (2) mit einem Werkzeug (1) bearbeitet wird, dessen Schneiden (8) so eingestellt sind, daß der Abstand (12) der Außenschneidkanten (9) zum Drehachse geringer sind als der gewünschte Sollradius der Zylinderlauffläche (2),
• - dann der Radius der mit dieser Werkzeugeinstellung gefertigten Zylinderlauffläche (2) gemessen und die Differenz zum gewünschten Radius ermittelt wird,
• - dann die Schneiden (8) um diese Differenz radial nach außen verschoben werden,
• - und schließlich mit dieser neuen Einstellung des Werkzeugs (1) die Zylinderlauffläche (2) nochmals bearbeitet wird.

4. Vorrichtung zur Endbearbeitung von Zylinderlaufflächen, insbesondere in Brennkraftma­ schinen, wobei die Vorrichtung ein Werkzeug zum Feindrehen umfaßt, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Werkzeug (1) mehrere Schneiden (8) aufweist, die gleichzeitig auf die Zylin­ derlauffläche (2) einwirken,
• - und daß die Drehachse (10) des Werkzeugs (1) zumindest näherungsweise mit der Symmetrieachse (24) der zu bearbeitenden Zylinderlauffläche (2) zusammenfällt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug sechs Schneiden (8) aufweist.