DE3719796C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von innenzylindrischen Werkstück-Oberflächen, insbesondere der Kolbenlaufflächen von Verbrennungsmaschinen, nach dem Ober­ begriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 8 zur Durchführung des Verfahrens.

Ziel jeder Feinbearbeitung ist u. a. das Herstellen funk­ tionsgerechter Oberflächen. Ein typischer Anwendungsfall des Honverfahrens ist die Bearbeitung von Kolbenlaufflächen in Otto- und Dieselmotoren. Honen ist ein Spanen mit einem vielschneidigen Werkzeug aus gebundenem Korn unter ständiger Flächenberührung zwischen Werkzeug und Werkstück. Die Schnittbewegung wird aus einer Drehbewegung und einer hin- und hergehenden Hubbewegung gebildet. Die gehonte Oberfläche zeigt feine, sich überkreuzende Spuren. Dabei wird wie bei allen Zerspanungsprozessen das Werkstoffgefüge im Bereich der Randzonen verformt. Bei entsprechender Vergrößerung ist eine Oberflächenstruktur erkennbar, bei der die Schnittkan­ ten der Honriefen ausgerissen und überlappt sind. Die Quer­ schnitte der Honriefen sind teilweise durch Überlappungen unmittelbar an der Oberfläche kleiner als darunter. Diese Oberflächenverformung der gehonten Lauffläche, im techni­ schen Sprachgebrauch als "Blechmantel" bezeichnet, wirkt sich nachteilig auf das Einlaufverhalten der Reibpartner Kolbenringe-Zylinderlauffläche aus, erhöht die Neigung zur Brandspurbildung und zum Fressen und führt zu einem erhöhten Anfangsölverbrauch.

Anwender des Honverfahrens, insbesondere Hersteller von Ver­ brennungsmotoren, sind darum schon seit langem bemüht, eine möglichst blechmantelfreie Oberfläche zu erzeugen, was bis­ lang jedoch nicht zufriedenstellend gelang.

So wird bei dem bekannten Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 (EP-A2-1 69 984) die innenzylindrische Oberfläche eines Werkstückes nach dem Honen durch Hochdruck­ strahlen behandelt, wodurch der Blechmantelanteil aber nur auf 75% bis 65% verringert werden kann. Mit dem nachfol­ genden letzten Verfahrensschritt kann dieser Anteil nicht weiter reduziert werden, weil dabei die Werkstückoberfläche lediglich geglättet oder reibplattiert wird. Dadurch wird kein Material abgetragen, sondern das abgeriebene Material auf die bearbeitete Oberfläche aufgetragen.

Es ist auch bekannt, die Innenflächen von Zylinderlaufbüch­ sen für Verbrennungs-Kraftmaschinen nach dem mechanischen Honen als zweiten und letzten Verfahrensschritt in einer Strahlanlage mit einem Flüssigkeitsstrahl nachzubehandeln, der ein Strahlmittel wie Schleifkorn oder dgl. enthält (DE-Al-32 10 495). Wegen der getrennten Anlagen ist hierfür ein erheblicher Aufwand erforderlich. Außerdem kann der für eine zufriedenstellende Beseitigung des Blechmantels erfor­ derliche Strahldruck bereits zu einer Zerstörung der im Gefüge eingelagerten Graphitnester führen, wodurch eine optimale Lauffläche in der Serie nicht erreichbar ist.

Schließlich ist auch ein zweistufiges Verfahren zum Bearbei­ ten innenzylindrischer Werkstückoberflächen bekannt, bei dem einem mechanischen Honvorgang ein Bürstvorgang nachgeschal­ tet wird, um den beim Honen entstandenen Blechmantel zu be­ seitigen (VDI-Zeitschrift Band 128, 1986, Nr. 11, S. 439 bis 442). Das Ergebnis befriedigt aber ebenfalls nicht, weil die Bürsten allein nicht in der Lage sind, alle und insbe­ sondere stärkere Überlappungen und Verquetschungen zu besei­ tigen.

Ausgehend von dem gattungsgemäßen Verfahren (EP-A2-1 69 984) liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, durch die Nachbe­ arbeitung nach dem Honen den Blechmantelanteil weiter zu re­ duzieren, wobei die im Gefüge eingelagerten Graphitnester nicht zerstört oder herausgelöst werden sollen. Mit der er­ findungsgemäßen Vorrichtung soll dieses Verfahren einfach und kostensparend ausgeführt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach dem Patentanspruch 1 bzw. mit dem kombinierten Werkzeug nach Anspruch 8 gelöst.

Durch die im Anschluß an die Honbearbeitung durchgeführte kombinierte Hochdruckstrahl- und Bürstbehandlung wird das die Überlappungen bildende Material zunächst aufgerichtet und unmittelbar anschließend abgetragen. Dabei kann der Druck beim Hochdruckstrahlen derart begrenzt werden, daß die im Gefüge eingelagerten Graphitnester nicht beschädigt oder herausgelöst werden.

Mit dem erfindungsgemäßen kombinierten Werkzeug ist das er­ findungsgemäße Verfahren einfach auszuführen, wobei der ma­ schinenseitige Aufwand gering gehalten ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen. Das Verfahren und die Vorrichtung werden im fol­ genden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Werkzeug im Axialschnitt, schematisch dargestellt,

Fig. 3 einen Schnitt nach I-I in Fig. 2, mit abgewandel­ ter Ausführung der Strahlvorrichtung,

Fig. 4 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeuges im Axialschnitt entsprechend Fig. 2,

Fig. 5a bis 5c drei Bürstleisten mit Strahlvorrichtung zur Ver­ wendung bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug, je­ weils im Querschnitt,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Werkzeuges im Axialschnitt entsprechend Fig. 2,

Fig. 7 eine abgewandelte Ausführung des Werkzeuges nach Fig. 6 in einem Schnitt nach II-II in Fig. 6.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung mit einem kombinierten Strahl- und Bürstwerkzeug 3 zur Nachbearbeitung einer Zylinderboh­ rung 1 eines Motorzylinderblockes 2. Die Zylinderbohrung 1 ist in an sich bekannter Weise zuvor gebohrt und anschlie­ ßend in einer Honmaschine gehont worden. Das Werkzeug 3 ist rotierend angetrieben und wird zugleich in mehreren Hüben in Richtung der Bohrungsachse bewegt, wobei zweckmäßig diesel­ ben kinematischen Bedingungen wie beim vorausgegangenen Ho­ nen eingehalten werden.

Das Werkzeug 3 ist mit seinem Werkzeugkörper 12 über eine Anschlußstange 4 mit einer Maschinenspindel 5 verbunden, die von einem bekannten (nicht gezeigten) Drehantrieb rotierend angetrieben wird. Die Maschinenspindel 5 wird außerdem in bekannter Weise von einem (nicht gezeigten) Hubantrieb, z. B. einer Kolben-Zylinder-Anordnung, angetrieben, so daß das Werkzeug 3 mehrmals schraubenförmig über den gesamten Be­ reich der Oberfläche 6 geführt wird, die die Kolbenlauf­ fläche der Zylinderbohrung 1 bildet. Der Werkzeugkörper 12 trägt Bürsten 7, die an der Oberfläche 6 der Zylinderbohrung 1 anliegen. Außerdem enthält der Werkzeugkörper 12 eine Strahleinrichtung 13 mit Düsen 8, über die Hochdruck- Flüssigkeitsstrahlen austreten, die gegen die Oberfläche 6 der Zylinderbohrung 1 gerichtet sind. Die Düsen 8 stehen zu diesem Zweck mit einer Hochdruckquelle 9 in Verbindung, die aus einem Vorratsbehälter 11 mit Flüssigkeit, z. B. Honöl, gespeist wird. In der Verbindung zwischen der Hochdruckquel­ le 9 und den Düsen 8 befindet sich ein an der Maschinenspin­ del 5 angeordnetes Verteilersystem 10, das die Hochdruck­ flüssigkeit über die hohle Anschlußstange 4 dem Werkzeug 3 zuführt.

Die Oberfläche 6 der Zylinderbohrung 1 wird mit der Vor­ richtung nach Fig. 1 in einem Arbeitsgang gestrahlt und gebürstet, wobei der Strahl- und der Bürstvorgang gleich­ zeitig und/oder nacheinander durchgeführt werden können, wie im folgenden anhand einiger unterschiedlich ausgebildeter Werkzeuge näher erläutert wird.

Die Fig. 2 und 3 zeigen im Axialschnitt bzw. im Querschnitt zwei einander ähnliche Ausführungsformen eines Werkzeuges 3a zur kombinierten Strahl- und Bürstbehandlung einer gehonten innenzylindrischen Oberfläche. Das Werkzeug besteht im we­ sentlichen aus einem hohlzylindrischen Werkzeugkörper 14, der an seinem Außenumfang mehrere, im Ausführungsbeispiel vier gleichmäßig verteilt angeordnete Bürstleisten 15 trägt. Die Bürstleisten 15 sind in je einer Nut 16 des Werkzeugkör­ pers geführt und mittels einer Zustellvorrichtung 19 radial zustellbar, die zwei Kegel 20 und 21 aufweist, die sich im Innenraum 18 des Werkzeugkörpers 14 befinden und mit Druck­ stücken 17 gleicher Neigung zusammenwirken. Die Zustellvor­ richtung 19 wird über eine Druckstange 27 axial verstellt, um die Bürstleisten 15 radial nach außen zu verschieben.

Zwischen je zwei benachbarten Bürstleisten 15 ist eine im Werkzeugkörper 14 axial verlaufende Längsbohrung 22 als Flüssigkeitskanal der Strahleinrichtung 13 vorgesehen, der an seinem unteren Ende mit einem Stopfen 23 verschlossen ist. In die Längsbohrungen 22 mündet je ein Querkanal 24, der von einem im Inneren des Werkzeugkörpers 14 vorhandenen Ringkanal 25 abgezweigt ist. Die Querkanäle 24 sind nach außen jeweils durch einen Stopfen 26 verschlossen. Der Ring­ kanal 25 umgibt die Druckstange 27 der Zustellvorrichtung 19 und setzt sich in der Anschlußstange 4 (Fig. 1) fort. Er verbindet über das Verteilersystem 10 die Längsbohrungen 22 mit der Hochdruckquelle 9.

Von jeder Längsbohrung 22 aus erstrecken sich mehrere ra­ diale Bohrungen, die mit gleichem axialen Abstand überein­ ander angeordnet sind und Düsen 28 bilden (Fig. 2).

Bei der abgewandelten Ausführung nach Fig. 3 sind Düsen 28′ vorgesehen, deren Bohrungsachse schräg in Richtung auf die in Drehrichtung 29 des Werkzeuges voreilende Bürstenleiste 15 verläuft. Zwischen der die Achsen A und A′ des Werkzeug­ körpers 14 bzw. der Längsbohrung 22 enthaltenden Axialebene E und der Achse L der zugehörigen Düse 28′ ergibt sich ein Strahlwinkel 30, der etwa 30° bis 60° betragen soll.

Die Drehrichtung 29 für das kombinierte Strahl- und Bürst­ werkzeug 3a ist vorzugsweise so gewählt, daß sie zur Dreh­ richtung bei der vorausgegangenen Honbearbeitung entgegen­ gesetzt ist. Damit wird erreicht, daß die aus den Düsen 28 bzw. 28′ mit Hochdruck austretenden Flüssigkeitsstrahlen unter einem spitzen Winkel gegen die beim Honen entstandenen Überlappungen der Schnittkanten der Honriefen gerichtet sind. Dadurch werden Überlappungen besonders wirksam aufge­ richtet und können von der nachfolgenden Bürstleiste leicht abgetragen werden. Eine sehr befriedigende Oberflächenstruk­ tur der Lauffläche wird erzielt, wenn mit einem Strahldruck von ca. 100 bis 700 bar gearbeitet wird.

In Fig. 4 ist ein Werkzeug 3b dargestellt, das ebenfalls zur kombinierten Strahl- und Bürstbehandlung einer gehonten in­ nenzylindrischen Oberfläche dient. Das Werkzeug trägt minde­ stens drei, zweckmäßig vier oder sechs radial zustellbare Bürstleisten 31. Es enthält eine Strahleinrichtung 13′ mit Längsbohrungen 32 für die Zuführung der Hochdruckflüssigkeit und mit Düsen 35, die sich innerhalb der Bürstleisten 31 be­ finden. Die Längsbohrungen 32 sind axial verlaufende Sack­ lochbohrungen. Am offenen oberen Ende jeder Sacklochbohrung ist ein Nippel 33 angebracht, an dem ein Druckschlauch 34 befestigt ist. Die Druckschläuche 34 sind an das Verteiler­ system 10 (Fig. 1) angeschlossen, wodurch die Sacklochboh­ rungen 32 mit der Hochdruckquelle 9 verbunden sind.

Wie Fig. 4 zeigt, sind die Düsen 35 wie bei der Ausführungs­ form nach Fig. 2 mit gleichem axialen Abstand übereinander angeordnet und radial nach außen gerichtet. Sie münden je­ weils zwischen zwei übereinander liegenden Borstenbüscheln der Bürstleisten 31.

Die Fig. 5a bis 5c zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele von Bürstleisten mit integrierter Strahleinrichtung. Die Strahleinrichtung 13a nach Fig. 5a enthält in der Bürstleiste 31, ausgehend von der zentralen Längsbohrung 32, im darge­ stellten Querschnitt eine radial verlaufende Düse 35, die zwischen zwei Borstenreihen 36 und 37 mündet. Es sind, wie in Fig. 4 gezeigt, in Längsrichtung der Bürstleisten 31 meh­ rere Düsen mit gleichem Abstand übereinander angeordnet.

Die Fig. 5b zeigt die Anordnung einer Strahleinrichtung 13b in einer Bürstleiste 31′. Eine besonders intensive Strahl­ wirkung wird bei dieser Ausführung dadurch erreicht, daß zu­ sätzliche Bohrungen als Düsen 38 bzw. 39 vorhanden sind, die von der Längsbohrung 32 aus schräg nach außen gerichtet sind und an den voneinander abgewandten Seiten der Borstenreihen 36 und 37 münden.

Die Strahlflüssigkeit kann auch, wie Fig. 5c zeigt, direkt durch Befestigungsbohrungen 40, 41 der einzelnen Borstenbü­ schel 42 hindurch austreten. Die Bohrungen 40 erstrecken sich von einer an der Rückseite des Leistenkörpers 44 be­ findlichen rechteckigen Ausnehmung 43 aus bis an die Bor­ stenbüschel 42. Die Ausnehmung 43 ist auf ihrer von den Bor­ stenbüscheln abgewandten Seite durch eine Deckleiste 45 ver­ schlossen und bildet einen Längskanal 32′ der Strahlein­ richtung 13c für die Zuführung der Strahlflüssigkeit.

Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 5c kann es vorteil­ haft sein, zusätzliche, schräg verlaufende Düsen vorzusehen, wie sie in Fig. 5b gezeigt sind.

Die Fig. 6 und 7 zeigen ein besonders vorteilhaftes Werkzeug 3c. Dieses Werkzeug ist zur kombinierten Hon-, Strahl- und Bürstbearbeitung der Lauffläche einer Zylinderbohrung geeig­ net. Zur Honbearbeitung ist es mit vier Honleisten 50 verse­ hen, die in bekannter Weise durch ein Zustellsystem 51 ra­ dial zustellbar sind. Zwischen je zwei Honleisten 50 ist eine Bürstleiste 52 vorgesehen. Die Bürstleisten sind über ein zweites Zustellsystem 53 in an sich bekannter Weise unabhängig von den Honleisten 50 zustellbar. Vorzugsweise sind je vier Honleisten und Bürstleisten vorhanden.

Nach Fig. 6 ist eine Strahleinrichtung 54 vorgesehen, die in die Bürstleisten 52 integriert ist, entsprechend der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 4.

Fig. 7 zeigt das Werkzeug mit einer Strahleinrichtung 54′, die entsprechend der Werkzeugausführung nach Fig. 3 in den Werkzeugkörper verlegt ist. Die Düsen 55 dieser Strahlein­ richtung sind jeweils zwischen einer Honleiste 50 und einer Bürstleiste 52 vorgesehen. Mit dem Werkzeug 3c können die drei Verfahrensschritte in einem Arbeitsgang nacheinander oder auch gleichzeitig ausgeführt werden. So kann während des Honens gleichzeitig gestrahlt werden. Dabei wird das Schneidverhalten der Honsteine durch optimale Schmierung, Wärme- und Späneabfuhr so verbessert, daß geringere Hon­ drücke möglich sind, was der Bildung der Überlappungen bzw. des Blechmantels entgegenwirkt. Geringere Hondrücke bedeutet auch eine geringere Werkstückverformung, so daß auch die Be­ arbeitungsgenauigkeit verbessert wird. An die Honbearbeitung schließt lückenlos eine weitere Strahl- und zusätzliche Bürstbearbeitung an. Mit Beginn der Bürstbearbeitung wird zweckmäßig die Drehrichtung des Werkzeuges umgekehrt, wo­ durch die beim Honen entstandenen Überlappungen, also der Blechmantel, und Verquetschungen besser aufgerichtet und abgetragen werden können. Besonders gute Ergebnisse erhält man, wenn während des Bürstvorganges mit erhöhtem Strahl­ druck gearbeitet wird.

Analog der Ausführung nach den Fig. 5a bis 5c können bei dem Werkzeug 3c die Düsen auch so angeordnet sein, daß sie bei­ derseits der Honsteine 50 ausmünden und/oder durch die Hon­ steine hindurchgeführt sind und an deren Arbeitsfläche mün­ den (nicht dargestellt).

Es sind auch noch weitere Varianten möglich. Es kann bei­ spielsweise vorteilhaft sein, verschieden ausgebildete Strahleinrichtungen innerhalb eines Werkzeuges zu kombinie­ ren. Dabei können außer Strahldüsen im Werkzeugkörper zu­ sätzliche Strahldüsen innerhalb der Honleisten und/oder der Bürstleisten vorgesehen sein.

Claims (18)

1. Verfahren zum Bearbeiten von innenzylindrischen Werkstück-Oberflächen, insbeson­ dere der Kolbenlaufflächen von Verbrennungsmotoren, bei dem die Oberfläche gehont und in zwei Bearbeitungsvorgängen nachbearbeitet wird, wobei die Oberfläche zur Beseiti­ gung des beim Honen an den Honspuren entstandenen Blech­ mantels durch Hochdruckstrahlen behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Nachbearbeitung das den Blechmantel bildende Material durch kombiniertes und mindestens zeitweise gleichzeitiges Hochdruckstrah­ len und Bürsten abgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbearbeitung durch Hochdruckstrahlen und Bürsten entsprechend den kinemati­ schen Bedingungen des Honens ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung des Bewe­ gungsverlaufs der Nachbearbeitung derjenigen des voran­ gegangenen Honens entgegengesetzt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Honbearbeitung und die Nachbearbeitung in einem Arbeitsgang ausgeführt werden, wobei die Nachbearbeitung unmittelbar anschließend an das Honen beginnt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch während des Honens min­ destens zeitweise gleichzeitig eine Hochdruck-Strahlbe­ arbeitung ausgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruck-Strahlbearbei­ tung beim Ausfahrhub nach beendeter Honbearbeitung mit verminderter Hubgeschwindigkeit ausgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahldruck bei der Nachbearbeitung etwa 100 bis 700 bar beträgt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein kombiniertes Werkzeug (3, 3a bis 3c) vorhanden ist, das eine Strahlvorrichtung (13; 13′; 13a bis 13c; 54, 54′) mit Düsen (8; 28, 28′; (35; 38 bis 41; 55) zum Hochdruckstrahlen und Bürstleisten (15; 31; 31′; (44, 45; 52) mit Bürsten (7, 36; 37; 42) zur mechanischen Oberflächenbearbeitung aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (8; 28, 28′; (35; 38 bis 41; 55) in axial zum Werkzeug (3; 3a bis 3c) verlaufenden Reihen angeordnet sind, die in Umfangsrichtung des Werkzeuges gleichmäßig verteilt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstleisten (15; 31; 31′ 44, 45; 52) in axialen Nuten (16) des Werkzeugkörpers (14) des Werkzeuges (3, 3a bis 3c) geführt und radial zustellbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zustellung der Bürstleisten eine Zustellvorrichtung (19) mit verstellbaren Druckstücken (17) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstleisten (15) in Umfangsrichtung des Werkzeuges (3a; 3c) jeweils zwischen zwei Düsenreihen angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkörper (14) des Werkzeugs mindestens einen axial verlaufenden Flüssigkeitskanal (22; 32, 32′) der Strahlvorrichtung enthält.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Düsen (28, 28′; 35; 38, 39; 55) von dem zugehörigen Flüssigkeitskanal (22; 32; 54′) aus schräg nach außen gerichtet sind und nahe den ihnen benachbarten Bürstenleisten (15; 52) münden, wobei der Winkel zwischen der die Werkzeugachse (A) und die Kanalachse (A′) enthaltenden Axialebene und der Düsenachse (L) vorzugsweise 30° bis 60° beträgt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Düsen (35; 38, 39; 40) die ihnen benachbarten Bürsten (36, 37; 42) durchsetzen oder mittig zwischen ihnen ausmünden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß pro Bürstenleiste (32′) drei Düsen vorhanden sind, von denen eine mittig und die beiden anderen seitlich neben den benachbarten Bürsten (36, 37) ausmünden.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (40, 41) durch Befestigungsbohrungen für die Bürsten (42) gebildet sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (3c) in Kombination die Strahlvorrichtung (54, 54′), die Bürstleisten (52) und zusätzlich Honsteine (50) aufweist, wobei die Honsteine (50) vorzugsweise gesondert von den Bürstleisten (52) radial zustellbar sind.