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Die Erfindung betrifft eine Honmaschine zum Honen von Bohrungen in Werkstücken gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem ein Honwerkzeug eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführt und eine ständige Flächenberührung zwischen einem oder mehreren Schneidstoffkörpern des Honwerkzeugs und der zu bearbeitenden Bohrungsinnenfläche vorliegt. Die Kinematik eines zustellbaren Honwerkzeugs ist charakterisiert durch eine Überlagerung einer Drehbewegung, einer in Axialrichtung der Bohrung verlaufenden, oszillierenden Hubbewegung und einer Zustellbewegung, die zu einer Veränderung des wirksamen Durchmessers des Honwerkzeugs, z. B. zu einer Aufweitbewegung führt. An der Bohrungsinnenfläche ergibt sich in der Regel eine Oberflächenstruktur mit sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren. Durch Honen endbearbeitete Oberflächen können extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen genügen, so dass viele hoch belastete Gleitflächen in Motoren oder Motorbauteilen, z. B. Zylinderlaufflächen in Motorblöcken oder Bohrungsinnenflächen in Gehäusen von Einspritzpumpen, durch Honen bearbeitet werden.
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Eine zum Honen geeignete Honmaschine ist eine Werkzeugmaschine, deren Arbeitsspindel in der Regel als Honspindel bezeichnet wird. Die Honspindel ist in einem Spindelgehäuse beweglich gelagert, mittels eines Drehantriebs um ihre Längsmittelachse (Spindelachse) drehbar und mittels eines Hubantriebs parallel zur Spindelachse oszillierend antreibbar. An einem werkzeugseitigen Ende weist die Honspindel eine Einrichtung zum Befestigen einer Honwerkzeuganordnung mit einem aufweitbaren Honwerkzeug auf. Die am Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper (einer oder mehrere) werden dabei meist in Radialrichtung zugestellt. Da sich durch die Zustellung der wirksame Durchmesser des Honwerkzeugs im Sinne einer Durchmesservergrößerung vergrößern lässt, spricht man allgemein von einem aufweitbaren Honwerkzeug. Der Durchmesser aufweitbarer Honwerkzeuge lässt sich durch Zustellung im Sinne einer Durchmesserverringerung auch verkleinern. Zur Veränderung des Honwerkzeug-Durchmessers enthält das Honwerkzeug ein axial zustellbares Zustellelement mit mindestens einer Schrägfläche oder einem Konus, der mit einer Schrägfläche an einem Schneidstoffkörper-Trägerelement nach Art eines Keilantriebs so zusammenwirkt, dass eine axiale Bewegung des Zustellelements eine radiale Bewegung des Schneidstoffkörpers bewirkt.
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Für die Aufweitung des Honwerkzeugs bzw. für die Zustellung der Schneidstoffkörper ist bei den hier betrachteten Honmaschinen ein Zustellantrieb vorgesehen, der im Rahmen dieser Anmeldung synonym auch als Aufweitantrieb bezeichnet wird. Der Aufweitantrieb ist mit dem Spindelgehäuse verbunden und wirkt auf eine im Inneren der Honspindel verlaufende Zustellstange, die mittelbar oder unmittelbar eine radiale Verschiebung von Schneidstoffkörpern des Honwerkzeugs bewirkt.
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Beim Honen unterscheidet man im Wesentlichen zweierlei Zustellprinzipien: Kraft-geführte und Weg-geführte Zustellung. Kraft-geführte Zustellungen werden z. B. mit Hydraulikzylindern und konstantem Öldruck umgesetzt. Weg-geführte Zustellungen werden meist mit Schritt- oder Servomotoren und einem Schraubengetriebe umgesetzt. In der
DE10225514 A1 ist z. B. eine Honmaschine beschrieben, die eine elektromechanische Weg-geführte Zustellung mit Schraubengetriebe aufweist.
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Die beiden Zustellprinzipien haben spezifische Vor- und Nachteile.
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Bei Kraft-geführter Zustellung ist die Zustellkraft bekannt, der Zustellweg und damit der Durchmesser einer gehonten Bohrung ist jedoch unbekannt. Der Durchmesser kann z. B. durch Inprozess-Messung, Fallkaliber oder die Bearbeitungszeit erfasst werden. Inprozess-Messung ist aufgrund des verfügbaren Bauraumes erst ab einem gewissen Bohrungsdurchmesser, z. B. ab ca. 15 mm, mit vertretbarem Aufwand möglich. Fallkaliber sind ungenau und unterliegen einem mechanischen Verschleiß. Eine Abschaltung über die Honzeit führt zu den ungenauesten Durchmessern nach dem Honen, da abhängig von der aktuellen Schneidfähigkeit der Honleiste(n) bzw. der Schneidstoffkörper das Zeitspanvolumen unterschiedlich sein kann.
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Bei Weg-geführter Zustellung ist der Durchmesser des Honwerkzeugs sehr genau bekannt, jedoch ergeben sich die Prozesskräfte abhängig vom in der Bohrung vorliegenden tatsächlichen Aufmaß und unterliegen somit Schwankungen. Zu geringe Schnittkräfte können zu einem Abstumpfen des Honwerkzeugs führen. In der Folge wird mehr ”gedrückt” als geschnitten, es kann zu Materialschädigung am Werkstück kommen. Durch Nutzung von flachen Steigungswinkeln des Schraubengetriebes kann zwar sehr präzise und genau auch in minimalen Zustellschritten der Werkzeugdurchmesser aktiv eingestellt werden. Durch die im Getriebe vorliegende Selbsthemmung ist es jedoch praktisch nahezu ausgeschlossen, eine reaktive Kraft vom Prozess am Zustellantrieb zu erkennen oder z. B. im Crash-Fall rechtzeitig abzuschalten, um die Maschine und/oder das Werkzeug zu schützen.
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Es ist in der Regel schwierig, bei Weg-geführter Zustellung die beim Materialabtrag wirkenden Prozesskräfte zu kontrollieren. Insbesondere kann es zu einem allmählichen Anstieg der Prozesskräfte kommen. Um die Zustellkraft im Verlauf der Bearbeitung nicht ansteigen zu lassen ist es z. B. aus der
EP 2123399 A2 bekannt, anstelle einer konstanten Zustellrate eine über die Bearbeitungsdauer degressive Zustellrate vorzusehen.
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Eine weitere bekannte Möglichkeit, um die Bearbeitungskräfte positiv zu beeinflussen, ist die kraftgeregelte Zustellung. Hierbei wird eine weg-geführte Zustellung um einen Sensor zur Erfassung der axialen Schnittkraft erweitert. Die Zustellung muss in der Folge nicht konstant über die Zeit erfolgen, sondern kann abhängig von der vorliegenden Prozesskraft gemacht werden. Die
DE 10 2012 219 099 A1 beschreibt eine Honmaschine mit einem Kraftsensor im Zustellsystem.
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Zur Optimierung der Wirtschaftlichkeit und Qualität von Honverfahren werden zunehmend hochdynamische Direktantriebe für Hub und Rotation eingesetzt, die eine Honbearbeitung mit hohen Hubgeschwindigkeiten (zurzeit beispielsweise bis ca. 125 m/min) und Drehzahlen (zurzeit beispielsweise bis ca. 10000 U/min) ermöglichen. Es besteht Bedarf an Honmaschinen, die auch unter sehr dynamischen Arbeitsbedingungen den angestrebten Zweck erfüllen.
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Zur hochdynamischen Bewegung von Maschinenteilen sind Direktantriebe bekannt, insbesondere in der Ausführung als Linearmotor. In der
DE 10225514 B4 ist eine Honmaschine beschrieben, deren Hubantrieb ein Linearmotor ist. Direktantriebe zeichnen sich durch das Potential aus, hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der damit angetriebenen Maschinenachse bei gleichzeitiger reibungsfreier Bewegungserzeugung zu ermöglichen.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Honmaschine bereitzustellen, die gute Möglichkeiten zur Kontrolle der Bearbeitungskräfte bietet und eine wirtschaftliche Fertigung gehonter Werkstücke mit kurzen Taktzeiten bei hoher Qualität ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung eine Honmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird zur Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Eine Honmaschine gemäß der beanspruchten Erfindung weist ein getriebefreies Aufweitsystem auf. Als Aufweitantrieb des Aufweitsystems ist einen linearer Direktantrieb mit einem Stator und einem Läufer vorgesehen, wobei der Läufer ohne Zwischenschaltung eines Getriebes mit der Zustellstange gekoppelt ist. Der lineare Direktantrieb wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als „Linearmotor” bezeichnet. Durch Verwendung eines elektrischen Linearmotors als Aufweitantrieb bzw. Zustellantrieb zur Zustellung von Schneidstoffkörpern eines Honwerkzeugs beim Honen kann das eingangs erwähnte Dilemma zwischen kraft- und weg-geführten Zustelleinrichtungen aufgelöst oder entschärft werden. Die Vorteile der eingangs genannten Zustellprinzipien können meist genutzt werden, ohne deren wesentliche Nachteile in Kauf zu nehmen. Es können neuartige Zustellstrategien genutzt werden
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Die Verwendung eines Linearmotors bietet u. a. den Vorteil, dass mit einer einzigen mechanischen Ausführung sowohl eine kraft-geführte Regelung durch Vorgabe des Stromes, als auch eine weggeführte Regelung durch Vorgabe der Position der Zustellung ausgeführt werden kann. Bisher war eine mechanische Lösung in der Regel entweder hydraulisch, elektromechanisch, oder elektromechanisch mit Kraftmesssystem ausgeführt. Um die Art der Zustellung zu wechseln war dann ein mechanischer und elektrischer sowie ggf. noch ein hydraulischer Umbau an einer Maschine notwendig, was mit hohem Aufwand und Stillstandzeiten einherging.
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Zusätzlich kann im Vergleich zu Lösungen mit Schraubengetriebe im Aufweitsystem (bzw. Zustellsystem) durch den Entfall des reibungsbehafteten Schraubengetriebes die Regelgüte deutlich erhöht werden, d. h. die Dynamik des direkt angetriebenen Systems kann höher sein als bei Systemen mit elektro-mechanischer oder hydraulischer Umsetzung. Während im Schraubengetriebe Hysterese und ein Umkehrspiel auftreten können, ist der lineare Direktantrieb prinzipiell frei von diesen Störeinflüssen. Die verschleißbehafteten Bauteile einer Gewindespindel und ein oder mehrerer Lagersätze können entfallen bzw. in der Anzahl reduziert werden. Die damit verbundene Gewichtsreduzierung kommt der erzielbaren Dynamik des Honens zugute.
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Durch den Verzicht auf ein mechanischen Getriebes zwischen Aufweitantrieb (bzw. Zustellantrieb) und Zustellstange kann weiterhin erreicht werden, dass die dem Aufweitantrieb zugeordnete Baugruppe insgesamt weniger Masse aufweist als eine mit Schraubengetriebe oder einem anderen Getriebe ausgestattete Baugruppe. Dies ist gerade bei der Verwendung in hochdynamischen Honmaschinen mit vertikaler Anordnung der Oszillationsachse/Hubachse von Vorteil, da die Honeinheit in einer Oszillationsbewegung axial hin- und her bewegt wird und die zur Beschleunigung der Masse und Kompensation der Erdanziehung eingesparte Kraft am Oszillationsantrieb (Hubantrieb) für eine dynamischere Bewegung des Hubantriebs und somit eine höhere Schnittgeschwindigkeit im Prozess zur Verfügung steht. Alternativ oder zusätzlich kann die eingesparte Kraft für höhere Zerspanungskräfte, insbesondere größere Zustellgeschwindigkeiten genutzt werden. Beides kann das Zeitspannvolumen erhöhen und damit die Bearbeitungszeit eines Werkstücks verkürzen.
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Bei manchen Ausführungsformen weist der lineare Direktantrieb eine erste Antriebsgruppe mit einer Motorwicklung und eine zweite Antriebsgruppe mit einer Gruppe von Permanentmagneten oder einer weiteren Wicklung auf. Die Motorwicklung ist wird im Betrieb aktiv bestromt und verursacht dadurch die steuerbare Bewegung. Die erste Antriebsgruppe und die zweite Antriebsgruppe sind ineinander liegend angeordnet und relativ zueinander linear verschiebbar. Eine der Antriebsgruppen ist mit dem Spindelgehäuse fest verbunden. Die andere Antriebsgruppe ist mit der Zustellstange zur Übertragung axialer Bewegungen gekoppelt und daher beweglich. Die fest mit dem Spindelgehäuse verbundene Antriebsgruppe ist in Bezug auf das Spindelgehäuse dadurch statisch und wird ja auch als „Stator” des Direktantriebs bezeichnet. Die mit der Zustellstange gekoppelte und mit dieser bewegliche andere Antriebsgruppe wird hier als „Läufer” bezeichnet.
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Bei dieser Weiterbildung kann sich der Läufer innerhalb des Stators oder der Stator innerhalb des Läufers befinden. Die Anordnung kann jeweils so sein, dass die Elemente des Läufers im Wesentlichen symmetrisch um eine Längsmittelachse angeordnet sind, die koaxial mit der Zustellstange verläuft. Damit kann das Auftreten von Kippmomenten bei der Zustellung vermieden werden.
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Als Alternative zu einer Ineinander-Schachtelung der Antriebsgruppen ist es auch möglich, dass der lineare Direktantrieb einen Stator und einen Läufer aufweist, wobei der Läufer mittels eines Schlittens an einer Seite des Stators geführt ist.
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Besonders geeignet erscheint zurzeit eine Ausführung in Synchron-Technologie. Hierbei werden in der zweiten Antriebsgruppe Permanentmagnete zur Erzeugung des Magnetfeldes vorgesehen. Eine Asynchron-Ausführung, bei der das Magnetfeld der zweiten Antriebsgruppe nicht durch Permanentmagnete, sondern durch Induktion innerhalb der weiteren Wicklung und Schlupf zwischen Stator und Läufer erzeugt wird, ist ebenfalls möglich. Die weitere Wicklung weist Schlupf zur Motorwicklung auf, wird dabei durch Induktion von der Motorwicklung bestromt und erzeugt dadurch ein Magnetfeld.
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Bei manchen Ausführungsformen weist die erste Antriebsgruppe eine umlaufende Motorwicklung und die zweite Antriebsgruppe eine Gruppe von Permanentmagneten oder einer weiteren Wicklung auf, die wenigstens zum Teil innerhalb der umlaufenden Motorwicklung angeordnet sind.
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Bei Varianten mit umlaufender Motorwicklung und innenliegenden Permanentmagneten oder innenliegender weiterer Wicklung sind unterschiedliche Ausführungen möglich. Es kann beispielsweise sein, dass der Stator (d. h. die mit dem Spindelgehäuse verbundene Antriebsgruppe) die weitere Wicklung oder eine Anzahl von Permanentmagneten aufweist, die entlang der Längsachse des Direktantriebs angeordnet sind und dass der Stator von einem Läufer mit einer umlaufenden Motorwicklung bzw. einer Anzahl von Spulen umgeben wird. Ein solcher Tauchspulenantrieb mit Permanentmagneten ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 210 693 A1 bekannt und könnte als Aufweitantrieb des Aufweitsystems genutzt werden.
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In vielen Fällen kann eine umgekehrte Anordnung vorteilhaft sein. Bei entsprechenden Ausführungsformen weist der lineare Direktantrieb eine mit dem Spindelgehäuse verbundene erste Antriebsgruppe (Stator) mit einer umlaufenden Motorwicklung und eine als Läufer dienende zweite Antriebsgruppe mit einer Gruppe von Permanentmagneten oder der weiteren Wicklung auf, wobei die zweite Antriebsgruppe bzw. der Läufer mit der Zustellstange zur Übertragung axialer Bewegungen gekoppelt ist. Eine Längsmittelachse des Läufers kann koaxial zur Längsmittelachse der Zustellstange angeordnet sein.
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Es gibt auch alternative Varianten, bei denen der lineare Direktantrieb eine erste Antriebsgruppe mit einer zentralen, innen liegenden, mit elektrischem Strom beaufschlagbaren Motorwicklung aufweist, welche von einer zweiten Antriebsgruppe mit einer Gruppe von Permanentmagneten oder einer weiteren Wicklung umgeben ist. Diese alternative Anordnung (mit innen liegenden Motorwicklung) kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Motorwicklung den Stator bildet und die Permanentmagnete bzw. die weitere Wicklung als Läufer dienen und bewegt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass bei dieser Variante die Motorwicklung ein Teil des Läufers ist, während der Stator eine Gruppe von Permanentmagneten oder eine weiteren Wicklung aufweist.
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Bei der Nutzung eines linearen Direktantriebs innerhalb eines Aufweitsystems ist zu beachten, dass sich die Zustellstange, die mittels des linearen Direktantriebs axial verschoben werden soll, bei der Rotation des Honwerkzeugs mit diesem mitdreht. Dieser Umstand kann auf unterschiedliche Weisen bei der Konstruktion des Aufweitsystems berücksichtigt werden.
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Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die mit der Zustellstange gekoppelte Antriebsgruppe (Läufer) zumindest in einem mit der mit dem Spindelgehäuse gekoppelten Antriebsgruppe (Stator) zusammenwirkenden Abschnitt eine zylindrische Gestalt hat und relativ zum Stator um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Bei dieser Variante ist also eine Rotation des um seine Längsmittelachse symmetrischen Läufers im elektrischen Feld der Motorwicklung des Stators zugelassen. Der Läufer ist dazu nicht nur linear beweglich, sondern auch drehbeweglich gelagert. Zwar kann hierfür eine Gleitlagerung vorgesehen sein. Vorzugsweise ist jedoch aber mindestens ein Wälzlager zur drehbaren Lagerung des Läufers in dem Stator vorgesehen, so dass auch hohe Drehzahlen des Läufers innerhalb des Rotors dauerhaft ohne Beeinträchtigungen im Lagerbereich möglich sind. Wenn der Läufer innerhalb des Stators drehbar gelagert ist, kann der Läufer mit der Zustellstange drehfest gekoppelt sein und mit dieser mitdrehen.
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Es ist auch möglich, dass im linearen Direktantrieb keine separaten Lager zur Lagerung des Läufers vorgesehen sind und dass der Läufer durch Lagerung in der Honspindel geführt wird
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Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass zwischen dem Läufer des Direktantriebs und der Zustellstange eine Drehlagereinrichtung angeordnet ist, die eine Drehung der Zustellstange relativ zum Läufer erlaubt. In diesem Fall muss der Läufer relativ zum Stator nicht drehbar gelagert sein. Die Drehlagereinrichtung ist so konfiguriert, dass axiale Bewegungen und Kräfte über die Drehlagereinrichtung möglichst spielfrei übertragen werden können, bei gelichzeitiger Rotation der Zustellstange gegenüber dem Läufer.
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Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Aufweitsystem ein Gebersystem zur Messung der Zustellposition bzw. Aufweitposition aufweist. Das Gebersystem kann beispielsweise zur Messung der Position des Läufers relativ zum Stator und/oder zur Messung der Position der Zustellstange in Bezug auf das Spindelgehäuse ausgelegt sein. Sofern der lineare Direktantrieb einen integrierten Positionsgeber aufweist, kann dieser als Geber genutzt werden. Es ist auch möglich, einen vom linearen Direktantrieb gesonderten Geber zu nutzen. Dieser kann nach unterschiedlichen berührungslosen oder berührungsbehafteten Prinzipien arbeiten. Obwohl der Geber als inkrementeller Geber ausgestattet sein kann, ist es in vielen Fällen vorteilhaft, wenn der Geber als Absolutgeber ausgelegt ist. Damit kann z. B. unmittelbar nach Einschalten der Honmaschine die Position der Zustellstange erfasst werden, ohne dass dafür eine Bearbeitungszeit kostende Referenzfahrt notwendig ist.
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Bei manchen Ausführungsformen weist das Antriebssystem eine integrierte Bremseinrichtung zur Arretierung des Läufers und/oder der Zustellstange in einer Axialposition in Reaktion auf ein Schaltsignal oder einen bestimmten Betriebszustand auf. Die Steuereinrichtung kann so konfiguriert sein, dass das Schaltsignal unter bestimmten Betriebsbedingungen ausgegeben wird. Die Bremseinrichtung kann als selbsttägig einfallende Bremseinrichtung ausgelegt sein, die bei Ausfall einer Versorgungsspannung oder bei einem anderen definierbaren Ereignis selbsttägig in eine Bremsstellung schaltet und dadurch weitere axiale Bewegungen der Zustellstange verhindert. Damit kann ein zusätzlicher Beitrag zur Betriebssicherheit, beispielsweise bei Stromausfall, geleistet werden.
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Eine Honmaschine mit einem linearen Direktantrieb als Aufweitantrieb des Aufweitsystems bzw. Zustellsystems kann allein durch Einstellungen bzw. Vorgaben über die Steuereinrichtung mit zahlreichen unterschiedlichen Betriebsarten bzw. Betriebsmodi gefahren werden, um unterschiedliche Zustellstrategien zu realisieren. Ein Wechsel zwischen den Zustellstrategien ist ohne jegliche Umbauten in der mechanischen Konstruktion der Honmaschine möglich. Nachfolgend werden beispielhaft einige mögliche Zustellstrategien dargestellt. Die Steuereinrichtung kann so konfiguriert sein, dass mehrere oder alle der nachfolgend aufgeführten Zustellstrategien einstellbar sind:
- (i) Eine vollständig Kraft-geführte Zustellung, bei der mit vorgegebener Zustellkraft und daraus resultierender Zustellposition gehont wird.
- (ii) Eine vollständig Weg-geführte Zustellung, bei der mit vorgegebener Zustellposition und resultierender Zustellkraft gehont wird.
- (iii) Eine Zustellung mit einer Kombination aus Kraft-geführter und Weg-geführter Zustellung, bei der eine Gewichtung zwischen vorgebbarer Kraft und vorgebbarer Zustellposition, vorzugsweise stufenlos, vorgebbar ist, wobei die Gewichtung zeitlich konstant oder über die Zeit variabel, also zeitabhängig, vorgebbar sein kann.
- (iv) Eine Zustellung unter Vorgabe eines Bewegungsprofils, das z. B. aus folgender Gruppe ausgewählt sein kann
(iv-1) eine Zustellung in Abhängigkeit von einer Hubposition des Honwerkzeugs in der Weise, dass in einem vorgebbaren Hubbereich einer axialen Hin- und Her Bewegung des Honwerkzeugs Schneidstoffkörper unterschiedlich stark und/oder unterschiedlich weit zugestellt werden.
(iv-2) Eine Zustellung, bei der eine Zustellposition in Abhängigkeit von der rotativen Position des Drehantriebs bzw. des Honwerkzeugs verändert wird;
(iv-3) Eine Zustellung, bei der eine Kombination aus Abhängigkeit der Zustellung von der Oszillationsposition und von der Rotationsposition der Honspindel vorgebbar ist.
- (v) Eine Zustellung, bei der einer Kraft-geführten und/oder einer Weg-geführten Zustellung eine hochfrequente, vorzugsweise harmonische, Schwingung überlagert wird.
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Eine hochdynamische Zustellung mittels eines linearen Direktantriebs ermöglicht z. B. ein „Formhonen”, bei dem die Zustellung abhängig von Hubposition, Drehwinkel oder Kombination aus Hub und Drehwinkel erfolgt. Es kann eine Bahn-Interpolation von bis zu drei Maschinenachsen (für Hub, Drehwinkel und Zustellposition) im Raum allein mittels des Direktantriebs gesteuert werden. Bei Bedarf ist ein Umschalten bzw. ein Übergang zwischen weg- und kraftgeführter Zustellung während der Bearbeitung eines Werkstückes möglich.
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Aus dieser beispielhaften Aufzählung wird ersichtlich, dass die Honmaschine ohne jegliche Umbauarbeiten der mechanischen Konstruktion eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Kontrolle der Bearbeitungskräfte während des Honens bietet. Diese Variabilität kommt dem Endnutzer zugute, der allein über Einstellungen an der Steuereinrichtung den Honprozess auf seine spezifische Bearbeitungsaufgabe optimieren und innerhalb kurzer Taktzeiten zu optimal bearbeiteten Werkstücken kommen kann.
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Weitere Maßnahmen können zur Optimierung von qualitätsbestimmenden Eigenschaften der Honmaschine (z. B. Dynamik, Steifigkeit etc.) vorgesehen sein.
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Bei manchen Ausführungsformen weist die Honmaschine ein Monocoque-Gehäuse auf, das einen als Spindelgehäuse dienenden Spindelgehäuse-Abschnitt zur Aufnahme des Drehantriebs und einen einstückig mit dem Spindelgehäuse-Abschnitt ausgebildeten Aufweitsystem-Abschnitt zur Aufnahme des Aufweitantriebs aufweist.
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Ein Monocoque-Gehäuse bietet gegenüber herkömmlichen Lösungen mit separaten Gehäusen für Drehantrieb und Aufweitantrieb u. a. die Möglichkeit einer erheblichen Gewichtsersparnis, da aufgrund der integrierten Bauform einige Gehäuseteile, Flansche, Befestigungsmittel etc. entfallen können. Dies bringt gerade bei Honmaschinen spezifische Vorteile. Bei Honmaschinen müssen Antriebe neben den Prozesskräften auch Gewichts- und Beschleunigungskräfte aufbringen. Insbesondere bei hochdynamischen Maschinen und/oder vertikal verlaufenden Achsbewegungen führt dies dazu, dass große Antriebsleistungen vorgehalten werden müssen, die meist ihrerseits wieder mit einer Vergrößerung der bewegten Masse einhergehen. Eine Gewichtsersparnis schafft hier erheblich bessere Bedingungen.
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Neben der Gewichtsersparnis ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Präzision der gegenseitigen Ausrichtung von Aufweitantrieb oder Aufweitsystem und Drehantrieb und bei der Montage.
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Es ist möglich, das Monocoque-Gehäuse aus einem konventionellen Stahlwerkstoff herzustellen. Vorzugsweise werden jedoch weitere Maßnahmen zur Gewichtsreduzierung ergriffen. Ein Monocoque-Gehäuse könnte z. B. als Aluminiumgussteil (Aluminium oder Aluminiumlegierung, z. B. Al-Mg) hergestellt werden. Als besonders vorteilhaft werden Ausführungsformen angesehen, bei denen das Monocoque-Gehäuse als Leichtbau-Komponente unter Verwendung eines Leichtbau-Konstruktionswerkstoffs hergestellt ist. Dadurch kann die bewegte Masse gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich reduziert werden. Eine geringere bewegte Masse bewirkt, dass mit der zur Verfügung stehenden Kraft eine höhere Beschleunigung der Masse möglich ist. Dies ist besonders beim Honen vorteilhaft, da hier bei der Hubbewegung eine axiale hin- und hergehende Bewegungskomponente vorliegt. Noch deutlicher wird der Nutzen bei Vertikal-Honmaschinen, da bei einer vertikalen Anordnung der axialen Bewegung die Reduktion der Gewichtskraft der bewegten Bauteile sich zusätzlich positiv auf das dynamische Verhalten der Honmaschine auswirkt.
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Gemeinsam mit erhöhter Dynamik von bewegten Maschinenteilen können auch Schwingungen auftreten. Durch die Verwendung geeigneter Leichtbau-Konstruktionswerkstoffe mit hoher Steifigkeit und guten Dämpfungseigenschaften anstelle massiver Bauteile aus Stahl oder anderen herkömmlicher Konstruktionswerkstoffen lassen sich unerwünschte Schwingungen stärker dämpfen, so dass das Bearbeitungsergebnis verbessert wird.
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Eine verringerte bewegte Masse kann weiterhin zur Senkung des Energieverbrauchs einer Bearbeitungsmaschine beitragen, so dass hier eine Steigerung der Energieeffizienz als zusätzlicher Nutzen entsteht.
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Gemäß einer Weiterbildung ist das Monocoque-Gehäuse unter Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs hergestellt. Komponenten, die unter Verwendung (mindestens) eines Faserverbundwerkstoffs hergestellt werden, können ausreichend Steifigkeit und gute Dämpfung bei sehr geringer Masse bieten. Durch die Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs für die Herstellung oder bei der Herstellung einer mit der Honspindel beweglichen Komponenten der Honmaschine ist es möglich, das Gewicht und die Massenträgheit der entsprechenden Komponente im Vergleich zu einer ähnlich gestalteten und dimensionierten Komponente aus einem metallischen Werkstoff (zum Beispiel Stahlwerkstoff oder Aluminiumwerkstoff) erheblich zu reduzieren. Gleichzeitig kann eine ausreichende Steifigkeit der entsprechenden Komponente sichergestellt werden. Hierdurch kann die Steigerung der Dynamik der Honbearbeitung ohne Einbußen bei der Qualität erreicht werden.
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Vorzugsweise wird als Faserverbundwerkstoff ein carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) verwendet, der auch als kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (KFK) bezeichnet werden kann. Bei einem derartigen Faserverbundwerkstoff sind Kohlestofffasern in einer Matrix aus Kunststoff (beispielsweise einem Epoxidharz, einem anderen Duromer oder einem Thermoplast) eingebettet. Alternativ oder zusätzlich ist es z. B. auch möglich, als Faserverbundwerkstoff einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) zu verwenden. Bei der Herstellung einer mit der Honspindel beweglichen Komponente können zwei oder mehr Faserverbundwerkstoffe unterschiedlichen Typs kombiniert werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, das Monocoque-Gehäuse und/oder eine oder mehrere andere mit der Honspindel bewegliche Komponenten unter Verwendung eines Metallschaums herzustellen, beispielsweise eines Aluminiumschaums.
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Weiterhin ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass die drehbar gelagerte Honspindel als Leichtbau-Komponente ausgebildet ist.
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Bei manchen Ausführungsformen weist der Hubantrieb einen Linearmotor mit einem an einem Ständer der Honmaschine befestigten Primärteil und einen gegenüber dem Primärteil linear verfahrbaren Sekundärteil auf, welches in einen das Spindelgehäuse tragenden Schlitten integriert ist, wobei mindestens ein Bauteil des Schlittens als Leichtbau-Komponente ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Schlitten eine Schlittenplatte enthalten, die als Leichtbau-Komponente ausgebildet ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.
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1 zeigt einen Grundaufbau einer Honmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Bearbeitungssituation;
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2 zeigt eine Schnittansicht einer Honeinheit mit dem linearen Direktantrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 zeigt eine vergrößerte Detaildarstellung des Gehäuseabschnitts mit dem linearen Direktantrieb bei dem Ausführungsbeispiel aus 2; und
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4 zeigt eine Detaildarstellung des Gehäuseabschnitts mit dem linearen Direktantrieb bei einem anderen Ausführungsbeispiel;
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Anhand von 1 wird zunächst ein möglicher Grundaufbau einer Honmaschine 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Bearbeitungssituation erläutert. Auf einer Bearbeitungsplattform ist ein Werkstück 190 aufgespannt, dessen Bohrung 192 mithilfe des Honwerkzeugs 185 gehont werden soll. Das Honwerkzeug 185 bzw. die mit dem Honwerkzeug ausgestattete Honwerkzeuganordnung ist in einen Konus oder eine andere zur Aufnahme des Honwerkzeugs geeignete Einrichtung, z. B. in ein Hydrodehn-Spannfutter oder eine Hohlschaftkegel(HSK)-Aufnahme, am unteren Ende einer Honspindel 170 aufgenommen und wird in Betrieb der Honmaschine gemeinsam mit der Honspindel in einer vertikalen Hubbewegung auf- und ab bewegt. Dadurch wird die vertikale Bewegungskomponente der Arbeitsbewegung des Honwerkzeugs durchgeführt.
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Die Honspindel ist in einem Spindelgehäuse 130 beweglich gelagert und kann mittels eines Drehantriebs in Form eines in das Spindelgehäuse integrierten Elektromotors um ihre Spindelachse (Längsmittelachse) gedreht werden. Dadurch wird die rotative Komponente der Arbeitsbewegung des Honwerkzeugs erzeugt.
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Die Honspindel wird mittels eines Hubantriebs parallel zu ihrer Spindelachse oszillierend angetrieben. Der Hubantrieb umfasst im Beispielsfall einen elektrischen Linearmotor mit einem an einem Ständer 102 der Honmaschine befestigten Primärteil und einem gegenüber dem Primärteil linear verfahrbaren Sekundärteil. Der Sekundärteil ist in einen Schlitten 110 integriert, der an einer vertikalen Führungseinrichtung linear verfahrbar geführt ist. Der Schlitten 110 trägt das Spindelgehäuse 130, welches somit gemeinsam mit dem Schlitten vertikal auf- und ab bewegt werden kann. Der Sekundärteil ist dabei der bewegte Teil und der Primärteil der ortsfeste Teil eines elektrischen Linearmotors. Es ist auch eine umgekehrte Anordnung, nämlich mit statischem Primärteil und beweglichem Sekundärteil möglich.
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Für die Aufweitung bzw. Zustellung des aufweitbaren Honwerkzeugs, also für die Veränderung des wirksamen Durchmessers des Honwerkzeugs durch radiale Zustellung eines oder mehrerer Schneidstoffkörper des Honwerkzeugs, ist ein elektrischer Aufweitantrieb 155 vorgesehen, der mit einer im Inneren der Honspindel 170 axial beweglich geführten Zustellstange gekoppelt ist. Das Gehäuse 150, welches den Aufweitantrieb 155 umgibt, ist in diesem Beispiel an die Oberseite des Spindelgehäuses angeflanscht.
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Zur Bearbeitung der Bohrung 192 wird die Honeinheit mit Spindelgehäuse 130 und Honspindel 170 sowie dem darin aufgenommenen Honwerkzeug 185 so weit abgesenkt, dass die Honleisten 182 des Honwerkzeugs (eine oder mehrere) in die Bohrung eintauchen. Dann wird die Honspindel 170 gleichzeitig hin und her (das heißt im Beispiel auf und ab) bewegt und gedreht. Die beiden Arbeitsbewegungen werden so aufeinander abgestimmt, dass an der Innenfläche der bearbeiteten Bohrung ein für das Honen typisches Kreuzschliffmuster entsteht.
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Der vertikale Träger 102 sowie die daran angebrachten Laufschienen für den Schlitten 110 und der Primärteil des Linearmotors gehören zu den ortsfesten Komponenten der Honmaschine. Der Schlitten 110 mit dem darin integrierten Sekundärteil des Linearmotors sowie alle von dem Schlitten getragenen Komponenten gehören zu denjenigen Komponenten, die während der Bearbeitung gemeinsam in der Honspindel bewegt werden.
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Der Aufweitantrieb 155, der Drehantrieb und der Hubantrieb für die Spindel sowie weitere steuerbare Komponenten der Honmaschine sind an eine computerbasierte Steuereinrichtung 195 der Honmaschine angeschlossen. Diese koordiniert u. a. die Arbeitsbewegungen des Honwerkzeugs vor, während und nach einer Honoperation.
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Anhand der 2 und 3 wird nun ein Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben. Die ortsfesten Komponenten können dabei genauso ausgestaltet sein wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben. Auch das Honwerkzeug sowie die Einrichtungen zum Befestigen der Honwerkzeuganordnung mit einem aufweitbaren Honwerkzeug am werkzeugseitigen Ende der Honspindel können strukturell ähnlich oder identisch zum Beispiel von 1 sein. Das Gehäuse, das den Aufweitantrieb umgibt, ist bei den folgenden Varianten einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet, das den Drehantrieb für die Honspindel umgibt. Dieses einteilige Gehäuse (Monocoque-Gehäuse) wird mit Bezugszeichen 150 bezeichnet.
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Die Honspindel 170 des Ausführungsbeispiels ist innerhalb eines Gehäuses 150 mithilfe von Wälzlagern derart drehbar gelagert, dass sie sich um ihre vertikale Spindelachse 172 gegenüber dem Gehäuse 150 drehen kann. Der Drehantrieb 135 ist als elektrischer Direktantrieb ausgebildet und umfasst einen fest im Gehäuse 150 montierten Stator 135-1 sowie einen an der Außenseite der Honspindel 170 montierten Rotor 135-2, der sich innerhalb des Stators drehen kann.
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Die Honspindel 170 hat eine innere Durchgangsbohrung, in der eine Zustellstange 180 des Aufweitsystems axial beweglich geführt ist. Die Zustellstange dreht sich mit der Drehzahl der Honspindel koaxial mit dieser mit.
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Die Axialbewegung der Zustellstange wird mithilfe eines elektrischen Aufweitantriebs 255 bewirkt, der als linearer Direktantrieb 255 ausgebildet ist. 3 zeigt den Bereich des Aufweitantriebs 255 der Variante von 2 in Vergrößerung.
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Der lineare Direktantrieb 255 weist eine erste Antriebsgruppe 210 mit einer umlaufenden Motorwicklung 215 auf, die im Beispielsfall eine im Wesentlichen zylindrische Wicklungsgruppe bildet, die zur Längsmittelachse 156 des linearen Direktantriebs zentriert ist. Die Motorwicklung ist an eine durch die Steuereinrichtung 195 steuerbare Stromquelle angeschlossen und wird im Betrieb zur Steuerung von Arbeitsbewegungen des linearen Direktantriebs aktiv mit Steuerstrom beaufschlagt (bzw. bestromt). Die Motorwicklung umfasst drei Wicklungsgruppen, die in abwechselnder Folge um einen hülsenförmigen Träger herumgewickelt sind. Die erste Antriebsgruppe 210 ist fest mit dem Gehäuse 150 des Aufweitantriebs und fest mit dem Spindelgehäuse verbunden und wird hier auch als „Stator” 210 des Direktantriebs bezeichnet.
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Die zweite Antriebsgruppe 250 weist innerhalb einer zylindrischen Hülse eine Gruppe von in Reihe angeordneten Permanentmagneten 205 auf, von denen in jeder Axialstellung der zweiten Antriebsgruppe wenigstens ein Teil innerhalb der umlaufenden Motorwicklung 215 angeordnet ist. Die zweite Antriebsgruppe 250 ist relativ zur (statischen) ersten Antriebsgruppe 210 parallel zur Längsmittelachse 156 axial verschiebbar gelagert und wird hier auch als „Läufer” 250 des Direktantriebs 255 bezeichnet. Zur Lagerung sind an beiden Enden der Motorwicklung Lager 222 bzw. 224 angeordnet, die als Linear-Rotationslager ausgebildet sind und sowohl die axiale Verschiebung des Läufers 250 gegenüber dem Stator 210 als auch eine unbegrenzte Drehung des Läufers gegenüber dem Stator um die koaxial zur Spindelachse liegenden Längsmittelachse 156 erlauben.
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Ein Linear-Rotationslager kann beispielsweise eine oder mehrere Kugelbüchsen aufweisen. Kugelbüchsen erlauben gleichzeitig rotative und translative Verschiebungen. Vorteilhafter erscheint es jedoch zurzeit, die unterschiedlichen Bewegungskomponenten in getrennten Lagern abzufangen. Beispielsweise kann ein Linear-Kugellager die Translation aufnehmen, während ein Nadel- oder Rillenkugellager die Rotation aufnehmen kann.
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Ein der Zustellstange 180 zugewandtes Ende des Läufers 250 ist unmittelbar und drehfest mit dem zugewandten Ende der Zustellstange 180 gekoppelt. Hierzu kann eine Schraubverbindung vorgesehen sein, die mit einer zusätzlichen Verdrehsicherung ausgestattet ist. Es ist ersichtlich, dass eine lineare Bewegung des Läufers 250 innerhalb des Stators unmittelbar in eine axiale Bewegung der Zustellstange 180 umgesetzt werden kann, und zwar ohne Zwischenschaltung eines Getriebes. In dieser Konfiguration kann der Läufer des Direktantriebs nicht nur axial mit fester Drehwinkellage positioniert werden, sondern er kann zusätzlich mit der Spindeldrehzahl rotieren.
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Bei einer nicht bildlich dargestellten Ausführungsform kann zwischen dem Läufer und der Zustellstange eine drehfeste Kupplung zum Ausgleich von Achsfehlern zwischen Läufer und Zustellstange vorgesehen sein.
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Das Aufweitsystem weist ein Gebersystem zur Messung der Zustellposition bzw. Aufweitposition auf, die sich durch Messung der Position des Läufers relativ zum Stator und/oder durch Messung der die Position der Zustellstange 180 in Bezug auf das Gehäuse präzise messen lässt. Sofern der verwendete lineare Direktantrieb einen dafür geeigneten integrierten Positionsgeber aufweist, kann dieser dazu verwendet werden. Im Beispiel von 3 ist ein Geber 230 an der Innenseite des Gehäuses in der Nähe eines Abschnitts der Zustellstange 180 angebracht. Der an die Steuereinrichtung 195 angeschlossene Geber kann beispielsweise berührungslos optisch durch Laufzeitmessung von Laserlicht oder per konfokaler Laser-Abstandsmessung (mit Nachführung eines Fokuspunkts auf der gemessenen Oberfläche) funktionieren. Es ist auch möglich, elektrische oder elektromagnetische Messprinzipien zu nutzen, beispielsweise eine induktive Messung oder eine kapazitive Messung oder eine Messung aufbauend auf dem Hall-Effekt oder durch Wirbelstrommessung.
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Es kann ein inkrementeller Geber vorgesehen sein. Vorzugsweise ist alternativ oder zusätzlich ein absoluter Geber vorgesehen. Damit kann nach Einschalten der Honmaschine sofort die Axialposition der Zustellstange oder des Läufers und damit die Position der Zustellung bestimmt werden, ohne dass eine Referenzfahrt durchgeführt oder das Werkzeug aus der Maschine entnommen werden muss.
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Bei manchen Ausführungsformen weist das Antriebssystem noch eine integrierte Bremseinrichtung 175 zur Arretierung des Läufers und/oder der Zustellstange in einer Axialposition in Reaktion auf ein Schaltsignal auf. Die Bremseinrichtung kann beispielsweise dazu genutzt werden, beim Stoppen der Honmaschine die aktuelle axiale Position der Zustellstange sicher zu halten. Bei der Bremseinrichtung kann es sich insbesondere um eine selbsttägig einfallende Bremseinrichtung handeln, die bei Ausfall einer Versorgungsspannung oder bei einem anderen definierbarem Ereignis selbsttätig in eine Bremsstellung schaltet und die Zustellstange in der vorliegenden Axialposition hält. Eine mögliche Realisierung einer Bremseinrichtung 175 ist in 2 mit gestrichelten Linien dargestellt. Die zylindrische Hülse des Läufers des Direktantriebs 155 ragt nach oben über das Ende des Gehäuses 150 hinaus.
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Dort ist eine an die Steuereinrichtung 195 angeschlossene, radial aufweitbare Ringbremse montiert, die einen Abschnitt des den herausragenden Läufers umschließt.
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Anhand von 4 wird eine Variante des Ausführungsbeispiels von 3 dargestellt. Gleiche oder einander entsprechende Komponenten tragen z. T. die gleichen Bezugszeichen wie in 3, erhöht um 100. Ein wesentlicher Unterschied zur Variante von 3 besteht darin, dass der Läufer 350 bei dieser Variante nicht innerhalb des Stators 310 um seine Längsmittelachse drehbar sein muss. Entsprechend können die Lager 323, 324 als reine Linearlager ausgestaltet sein, die nur eine relative Linearbewegung des Läufers gegenüber dem Stator zulassen.
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Da sich die Zustellstange 180 in Betrieb mit der Drehzahl der Honspindel dreht, ist eine Dreh-Entkopplung zwischen der sich drehenden Zustellstange und dem nicht-rotativen Läufer erforderlich. Axiale Kräfte und Bewegungen sollen jedoch spielfrei übertragen werden können. Hierzu ist ein Beispiel von 4 zwischen dem Läufer 350 des Direktantriebs 355 und der Zustellstange 180 eine Drehlagereinrichtung 340 angeordnet, die eine Drehung der Zustellstange relativ zum Läufer erlaubt, wobei jedoch die spielfreie Übertragung von axialen Bewegungen und Kräften erhalten bleibt. Die Drehlagereinrichtung umfasst ein abschnittsweise hülsenförmiges äußeres Lagerelement 342, welches an der Seite des Direktantriebs einen Fortsatz hat, der in das zugewandte Ende des Läufers eingepasst und dort gegen Verdrehen fixiert wird. Im den hülsenförmigen Abschnitt des Lagerelements sind äußere Wälzlagerringe eingelegt, die das statische Element von drehenden Wälzlagern dienen. Die korrespondierenden inneren Wälzlagerringe sind am oberen Ende der Zustellstange angebracht. Bei dieser Variante kann die Lagerung im lineare Direktantrieb einfacher als beim ersten Beispiel aufgebaut sein, da der Läufer nicht relativ gegenüber dem Stator verdrehbar sein muss.
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Bei einer nicht bildlich gezeigten Variante ist vorgesehen, dass im linearen Direktantrieb keine separaten Lager vorgesehen sind, und dass der Läufer durch eine Lagerung in der Honspindel geführt wird. Im linearen Direktantrieb kann mindestens ein Gleitlager vorhanden sein.
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Eine Honmaschine gemäß jedem der Ausführungsbeispiele kann mit Hilfe des linearen Direktantriebs mit einer Vielzahl unterschiedlicher Zustellszenarien betrieben werden. Die Steuereinrichtung 195 der Honmaschine kann so konfiguriert sein, dass der lineare Direktantrieb für die Zustellung vollständig kraft-geführt arbeitet, d. h. mit vorgegebener Zustellkraft und daraus resultierender Zustellposition. Auch eine vollständig weg-geführte Zustellung mit vorgegebener Zustellposition und resultierender Zustellkraft ist möglich. Zusätzlich kann die Steuereinrichtung so konfiguriert sein, dass eine Kombination aus beiden Zustellprinzipien genutzt und entsprechend vorgewählt bzw. voreingestellt werden kann. Die Auswahl kann vorzugsweise stufenlos erfolgen. Beispielsweise kann derart zugestellt werden, dass eine Gewichtung der vorgegebenen Kraft mit 30% und eine Gewichtung der vorgegebenen Zustellposition mit 70% vorgenommen wird. Selbstverständlich sind auch andere Verhältnisse von Kraft und Zustellposition möglich.
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Es ist auch möglich, dass die Steuereinrichtung so konfigurierbar oder konfiguriert ist, dass diese Gewichtung nicht nur konstant vorgegeben werden kann, sondern variabel über die Bearbeitungsdauer des Prozesses verändert werden kann. Die Gewichtung zwischen vorgebbarer Kraft und vorgebbarer Zustellposition kann also zeitabhängig bzw. als Funktion der Prozesszeit gesteuert werden.
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Beispielsweise kann es bei bestimmten Bearbeitungsaufgaben vorteilhaft sein, die Bearbeitung eines Werkstücks rein kraftgeführt zu beginnen, so dass zu Beginn einer Honoperation die Zustellposition mit 0% und die Zustellkraft mit 100% gewichtet wird. Während der Bearbeitung kann dann die Gewichtung kontinuierlich oder schrittweise hin zu einer rein weg-geführten Zustellung verändert werden, in welcher dann ausschließlich die Position vorgegeben und die Kraft mit 0% gewichtet wird. Als ein Vorteil dieser Vorgehensweise kann angesehen werden, dass zu Beginn nahezu optimale Schnittkräfte vorliegen, während gegen Ende der Bearbeitung das vorgegebene Zielmaß der Bearbeitung (z. B. angestrebter Bohrungsdurchmesser) möglichst genau erreicht wird.
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Alternativ kann auch das umgekehrte Vorgehen sinnvoll sein. Die Steuerung kann so erfolgen, dass zunächst mit Weg-geführter Zustellung eine hohe Zerspanungsgeschwindigkeit erreicht wird und im Anschluss kraft-geführt gearbeitet wird, um möglichst materialschonend eine höchstens geringe Werkstoffschädigung und eine gute Oberfläche zu erzeugen.
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Bei einer einfachen Variante kann die Veränderung der Gewichtung linear erfolgen. Es ist auch möglich, eine nicht-lineare Gewichtung zwischen Zustellkraft und Zustellposition an der Steuerung zu konfigurieren, beispielsweise in Form eines logarithmischen, wurzelförmigen, quadratischen oder exponentiellen Verlaufs.
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Im Vergleich zu Aufweitsystemen bzw. Zustellsystemen mit Schraubengetriebe ergeben sich zahlreiche Vorteile. Durch die mögliche erhöhte Dynamik eines linearen Direktantriebs und den Entfall des mit Hysterese und ggf. Umkehrspiel behafteten Schraubengetriebes ist es mit einem linearen Direktantrieb nicht nur möglich, monoton in eine Richtung verlaufende Bewegungen auszuführen (z. B. nur in Richtung Durchmesservergrößerung des Honwerkzeugs oder Durchmesserverkleinerung). Zusätzlich ist es bei Ausführungsbeispielen mit linearem Direktantrieb möglich, über die Steuereinrichtung ein oder mehrere Bewegungsprofile vorzugehen und auch während der Honbearbeitung zu erreichen.
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Die Steuereinrichtung kann somit konfiguriert sein, unterschiedliche Bewegungsprofile für die Zustellung vorzugeben. Ein mögliches Bewegungsprofil ist eine Zustellung abhängig von der Oszillationsposition in der Weise, dass in bestimmten Hubbereichen der axialen Hin- und Her-Bewegung des Honwerkzeugs bzw. der Honspindel unterschiedlich stark und/oder weit zugestellt wird. Dies kann z. B. genutzt werden, um aus einer Vorbearbeitung resultierende Engstellen einer Bohrung gezielt abzubauen oder um in unterschiedlichen Hubpositionen unterschiedliche Durchmesser zu erreichen. Dies kann z. B. bei Einspritzpumpen oder Hydraulikzylindern dazu benutzt werden, dass in einer oder beiden Endlagen des Kolbens ein geringerer Durchmesser der Zylinderinnenfläche zu einem geringeren Spalt zum Kolben und somit zu einer geringeren Leckage am Dichtring führt, während in den restlichen Bereichen ein größerer Innendurchmesser der Zylinderfläche zu einem leichteren Bewegen des Kolbens bei reduzierten Energieaufwand führt. Zusätzlich kann durch den größeren Innendurchmesser des Zylinders ggf. das Gewicht reduziert werden.
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Als eine weitere Möglichkeit bzw. als optionale Einstellmöglichkeit einer Steuereinrichtung kann vorgesehen sein, dass die Zustellposition in Abhängigkeit von der rotativen Position des Spindelmotors verändert wird. Dies kann z. B. bei einer passenden Anzahl und Verteilung von Honleisten (z. B. drei Honleisten) am Werkzeug dazu genutzt werden, um eine Bohrung gezielt mit einem unrunden Profil bzw. einem polygonalen Profil mit abgerundeten Ecken zu honen oder um einen von einer Vorbearbeitung vorliegenden Rundheitsfehler dritter Ordnung, z. B. eine dreieckige polygonale Bohrung, gezielt mit minimalem Aufmaß rund zu bearbeiten.
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Eine Kombination aus der Abhängigkeit der Zustellung von der Oszillationsposition und von der Rotationsposition der Honspindel kann genutzt werden, um einen Prozess des „Formhonens” umzusetzen. Das „Formhonen” ist an sich bekannt. Es gibt bereits Vorschläge, das Formhonen durch Überlagerung einer elektro-mechanischen Grob-Zustellung mit Schraubengetriebe und piezo-aktorischer Fein-Zustellung zu erreichen (siehe z. B.
DE 10 2013 220 507 A1 oder
EP 2 279 829 B1 ). Beim Formhonen kann die Zylindermantelfläche einer Bohrung in Winkelsegmente und Hubabschnitte zerlegt und für jedes Flächenstück vor der Bearbeitung eine Mikro-Zustellposition festgelegt werden, um beispielsweise durch die Bearbeitung eine nicht ideal-zylindrische Form zu erzeugen, die erst in Betrieb des Bauteils (z. B. nach Montage des Zylinderkopfs und bei abweichenden Temperaturen) durch Verzüge eine gute Annäherung an die Zylinderform zu erreichen. Anstelle des Einsatzes von elektromechanischer Getriebezustellung mit zusätzlicher Piezo-Aktorik kann bei Ausführungsformen von Honmaschinen mit Verwendung eines linearen Direktantriebs zur Zustellung sowohl eine hohe Dynamik der Zustellung als auch ausreichend erreichbare Zustellwege bereitgestellt werden.
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Eine weitere Option der Bearbeitung besteht in einer Überlagerung einer hochfrequenten, vorzugsweise harmonischen Schwingung über die eigentliche Zustellung. Diese Schwingung kann das Schneidverhalten fördern, um beispielsweise ein erhöhtes Zeitsparvolumen und somit eine verkürzte Bearbeitungszeit zu erreichen. Dabei kann vorgesehen sein, in einer Anfangsphase der Bearbeitung mit einer hohen Amplitude der Schwingung zu arbeiten und eine lineare oder nicht-lineare Reduktion der Amplitude zum Ende der Bearbeitung hin zu steuern, um nach Abschluss der Honbearbeitung eine möglichst gute Oberflächenqualität, insbesondere mit geringer Rauheit, zu erreichen.
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Eine weitere Besonderheit der in 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele besteht darin, dass das Gehäuse 150 im Wesentlichen aus einem einzigen Bauteil besteht, das sowohl als Gehäuse für den Drehantrieb 135 der Honspindel 170 als auch als Gehäuse für den Aufweitantrieb 155 dient. Hierzu hat das Gehäuse 150 einen Spindelgehäuse-Abschnitt 150-1, der den Stator 135-1 des Drehantriebs 135 für die Honspindel umschließt, sowie einen einstückig mit dem Spindelgehäuse-Abschnitt ausgebildeten, im Durchmesser kleineren Aufweitsystem-Abschnitt 150-2, der u. a. zur Aufnahme des Aufweitantriebs 155 dient. Diese Integration mehrerer im Stand der Technik getrennt gefertigter und danach aneinander montierter Bauteile in einem einzigen Bauteil wird hier auch als Monocoque-Gehäuse 150 bezeichnet.
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Im Vergleich zum Stand der Technik mit gesonderten Gehäusen für Spindelantrieb und Aufweitantrieb entfällt unter anderem die Schnittstelle zwischen dem Gehäuse des Spindelmotors und dem davon gesonderten Gehäuse, welches den Aufweitantrieb umschließt. Somit können potenzielle Fehlerursachen, wie beispielsweise das unbeabsichtigte Lösen von Verbindungen im Bereich der Schnittstelle bei längerem Betrieb sowie eventuelle Fehljustierungen bei der Ausrichtung von Aufweitantrieb und Spindelantrieb prinzipiell vermieden werden.
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Eine weitere Besonderheit liegt darin, dass mehrere gemeinsam mit der Honspindel 170 bewegliche Komponenten als Leichtbau-Komponenten unter Verwendung mindestens eines Leichtbau-Konstruktionswerkstoffs hergestellt sind.
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Beispielsweise ist das Gehäuse 150 (Monocoque-Gehäuse) ein einstückiger, länglicher Hohlkörper, dessen Wandabschnitte unter Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs, beispielsweise Karbon-faserverstärktem Kunststoff (CFK), hergestellt sind. Dabei bestehen die äußeren und inneren Wandungen des Monocoque-Gehäuses im Wesentlichen aus schichtweise laminiertem Faserverbundwerkstoff FV, während zwischen den Außenwänden ein Kern K mit geringer Massendichte liegt, der beispielsweise durch druckstabilen Füllstoff mit Glaskügelchen oder anderen steifen, leichten Hohlkörpern gefüllt ist (siehe Detailvergrößerung in 1A). Im Vergleich zu einem aus Stahlwerkstoff oder einem anderen massiven metallischen Werkstoff hergestellten Gehäuse gleicher Dimensionen ergibt sich dadurch eine erhebliche Gewichtsersparnis bei mindestens gleichbleibender Steifigkeit.
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Weiterhin ist der am ortsfesten Ständer 102 linear geführte Schlitten 110 bei gleicher Dimension wie ein herkömmlicher Schlitten wesentlich leichter, da die Schlittenplatte 112 als wesentliche Komponente des Schlittens ebenfalls als Leichtbau-Komponente unter Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs hergestellt ist. Die darin integrierten Komponenten, beispielsweise der Primärteil (oder Sekundärteil) des Linearmotors für die Hubbewegung können wie bei der herkömmlichen Honmaschine ausgestaltet sein.
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In der Schlittenplatte 112 verläuft ein von oben nach unten durchgehender Durchgangskanal 113, durch den ausgehend von einem (nicht dargestellten) oberen Medienanschluss eine Kühlflüssigkeit zur Werkzeugkühlung hindurchgeleitet werden kann. Weiterhin verlaufen in der Schlittenplatte 112 und im Monocoque-Gehäuse weitere Durchgangsbohrungen, die von einem oberen Medienanschluss durch horizontale Abschnitte hindurch in das Innere des Monocoque-Gehäuse führen. Diese dienen der Zufuhr von Kühlflüssigkeit für die Kühlung des Drehantriebs. Durch weitere vertikale Durchgangskanäle können elektrische Leitungen, z. B. für Geber oder Sensoren, hindurchgeführt werden.
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In den Abbildungen nicht dargestellt ist eine zusätzliche Kühlmöglichkeit für den Direktantrieb der Zustellung. Diese kann bei einer vorhandenen Kühlung für den Drehantrieb 135 und den Primärteil des Schlittens 110 einfach hinzugefügt werden, indem analog zur außenliegenden Kühlung des Drehantriebes 135 ebenfalls eine im Gehäuse 150 integrierte Flüssigkeitskühlung für den Direktantrieb der Zustellung 155 eingesetzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10225514 A1 [0005]
- EP 2123399 A2 [0009]
- DE 102012219099 A1 [0010]
- DE 10225514 B4 [0012]
- DE 102015210693 A1 [0024]
- DE 102013220507 A1 [0084]
- EP 2279829 B1 [0084]
