DE4441623C2

DE4441623C2 - Verfahren und Werkzeug zum Schleifen einer Fase am Anfang einer Bohrung

Info

Publication number: DE4441623C2
Application number: DE4441623A
Authority: DE
Inventors: Rainer Maier; Rudolf Ing Koenigswieser
Original assignee: KOPP KADIA MASCHINENBAU; Robert Bosch GmbH
Current assignee: Kadia Produktion GmbH and Co
Priority date: 1993-12-15
Filing date: 1994-11-23
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2014-11-24
Also published as: JP2682813B2; GB2284777A; GB2284777B; US5601476A; DE4441623A1; GB9425304D0; FR2713531A1; JPH07251368A; FR2713531B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zum Schleifen einer Fase am Anfang einer Bohrung.

Bohrungen mit einem durch Feinschleifen bearbeiteten und durch die Fase gebildeten Dichtsitz finden sich z. B. in Einspritzpumpen für Brennkraftmaschinen. In den Bohrungen ist ein Stößel beweglich angeordnet, der die gewünschte Treibstoffmenge fördert. Um den Stößel dicht in der Bohrung führen zu können, ist die Oberfläche der Bohrung gehont. Die geförderte Menge Treibstoff wird über ein Ventil, dessen Dichtsitz durch die Fase am Anfang der Bohrung gebildet wird, und auf dem als Ventilelement eine sogenannte Dichtnadel aufsitzt, bei Erreichen eines bestimmten Druckes abgegeben.

Die Feinbearbeitung der Bohrung erfolgt durch Honen und die Feinbearbeitung der Fase durch Feinschleifen. Die Fase wird in aller Regel zunächst durch ein Schleifwerkzeug erstellt, anschließend mit einem Werkzeug feingeschliffen. Das Werkzeug wird dabei in einer zylindrischen Führung geführt, die Teil der Werkzeugaufnahme ist. Nachteilig daran ist, daß der Versatz der Achse der Werkzeugführung gegenüber der Bohrung im Werkstück nicht beseitigt werden kann, sondern sogar u. U. noch verstärkt wird.

Aus der DE-AS 10 52 262 ist das Ausschleifen von Ventilsitzen mit einem Schleifwerkzeug bekannt. Das Schleifwerkzeug ist drehbar an einer Führungsstange gelagert, die von einer Buchse aufgenommen wird, die ihrerseits in einer Führungsbohrung steckt. Während der Bearbeitung dreht sich die Führungsstange nicht mit. Demgemäß ist auch das an der Führungsstange drehbar gelagerte Schleifwerkzeug in vertikaler Richtung gegenüber der Führungsstange verschiebbar. Durch die Lagerung der Führungsstange in einer Büchse, die Lagerung der Büchse in einer zweiten Büchse, sowie die vertikal verschiebbare Führung dieser zweiten Büchse gegenüber einem zylindrischen Körper, der die Schleifscheibe trägt, ergeben sich für die Konzentrizität von Bohrung und Fase viele Fehlerquellen.

Außerdem ist es bei einer Bohrung für Einspritzpumpen, deren Dichtsitz bearbeitet werden soll, nicht akzeptabel, in die Bohrung eine Buchse und in diese eine Führungsstange fest einzusetzen, da dabei die Bohrung beschädigt werden kann. Offenbar befaßt sich die DE-AS 10 52 262 mit der Herstellung für Ventilsitze bei Brennkraftmaschinen. Darauf deutet in der Druckschrift die sich an den Ventilsitz anschließende zylindrische Ausnehmung hin, die Teil eines Gasführungskanals sein könnte. Der Ventilschaft, der danach in die Führungsbohrung eingesetzt wird, muß in einem solchen Fall nicht genau geführt sein, sondern dient hauptsächlich der Kraftübertragung auf dem Ventilteller.

Die US-Patentschrift 4,147,462 zeigt eine Anordnung zum Feinschleifen der Ventilsitze in einem Motorblock. Hierbei wird eine Führungsstange in der Ventilstößelbohrung fest verkeilt. Das konische Schneidwerkzeug zur Bearbeitung des Ventilsitzes ist auf dieser Führungsstange geführt, gleichzeitig aber, wie die Führungsstange auch, gegenüber der Antriebsspindel doppelt kardanisch gelagert, so daß eine Fehlausrichtung von Antriebsspindel und Motorblock ausgeglichen werden kann. Eine solche Feststellung der Führungsstange ist bei der eingangs dargestellten Bearbeitungsaufgabe nicht möglich, weil damit die Oberfläche der Bohrung in einer Weise beschädigt wurde, die nicht hingenommen werden kann. Außerdem wäre das Spiel zwischen Führungsstange und dem konischen Schneidwerkzeug eine weitere Quelle von Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung der Fase.

Die US-Patentschrift 2,978,846 zeigt ein diamantbesetztes Bohrwerkzeug für schwer bearbeitbare Materialien, das als Stufenwerkzeug ausgebildet ist. Es weist eine Bohrspitze, daran anschließend einen Führungsteil und an diesen anschließend einen erweiterten Bohrbereich auf, so daß gleichzeitig eine Bohrung und eine Fase gebohrt werden kann. Eine Feinbearbeitung der Fase unter Wahrung der Konzentrizität kann aber auf diese Weise nicht erfolgen. Sie müßte ebenfalls als weiterer Arbeitsgang vorgenommen werden.

Aus der DE 29 12 814 C2 ist eine Schleifmaschine zur Feinbearbeitung von kegeligen Ventilsitz- oder Dichtflächen, auch von Einspritzdüsen, bekannt, bei der die Spindel, die das konische Schleifwerkzeug zur Bearbeitung der Dichtfläche trägt, in einer Büchse (Pinole) gelagert ist, um die herum das eigentliche Werkstück exzentrisch gedreht wird. Bei dieser Führung kommt es zu einer einseitigen nur linienförmigen Anlage zwischen Werkstück und Pinole. Eine solche Lagerung ist für die Forderung einer hochgenauen Konzentrizität von Fase und Bohrung nicht genau genug. Außerdem ist das beschriebene Bearbeitungsprinzip auf eine durch eine Fase am Anfang einer Bohrung gebildete Dichtfläche, die sich zur Bohrung hin verjüngt, nicht anwendbar.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die Bearbeitung der Fase erheblich genauer erfolgt als dies seither möglich ist. Dabei bedeutet Genauigkeit insbesondere, daß die Konzentrizität der feingeschliffenen Fase zur Bohrung exakt gewährleistet ist und daß auch der Winkel der Fase gegenüber der Bohrung genau eingehalten wird. Gleichzeitig soll das Verfahren und das dabei verwendete Werkzeug möglichst einfach sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Schleifen einer Fase am Anfang einer Bohrung durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

(a) die Fase wird zunächst in einer Form, deren Öffnungswinkel etwas größer als der Sollwinkel ist, hergestellt;
(b) die Bohrung wird gehont;
(c) die Fase wird dann mit einem konischen Werkzeug, dessen Winkel gleich dem Sollwinkel der Fase ist, auf ihr Sollmaß feingeschliffen; dabei wird das Werkzeug mittels eines Führungszapfens in der gehonten Bohrung geführt.

Die besondere Genauigkeit der Konzentrizität der Fase wird also dadurch erreicht, daß das zum Feinschleifen der Fase verwendete konische Werkzeug mittels eines Führungszapfens in der Bohrung geführt wird, die vorher bereits gehont, also mit einer hochgenauen Oberfläche versehen worden ist. Wichtig ist also die Aufeinanderfolge der Arbeitsgänge: Herstellung (z. B. durch Drehen) der Fase, Honen der Bohrung, Feinschleifen der Fase bei Führung des Feinschleifwerkzeugs in der bereits gehonten Bohrung. Aus diesem letzten Schritt ergibt sich eine quasi spielfreie Führung des konischen Werkzeugs beim Feinschleifen der Fase.

Das Merkmal, daß die Herstellung der Fase in Schritt (a) so erfolgt, daß deren Öffnungswinkel etwas größer als der Sollwinkel der Fase ist, hat den wichtigen Aspekt, daß die Herstellung der endgültigen Form der Fase in Verfahrensschritt (c) von der Innenkante der Fase her nach außen hin erfolgt, so daß die Innenkante der Bohrung bei Beginn dieses Verfahrensschrittes als Führung für den Schleifabschnitt des Werkzeugs dient.

Es ist auch möglich, die im Verfahrensschritt (a) vor bereitete Fase im Verfahrensschritt (c) nicht über ihre gesamte Breite, sondern nur teilweise anzuschleifen. Damit läßt sich eine geringe Fasentiefe bzw. -breite erreichen, was bei Einspritzpumpenventilen wegen der dann erreichbaren kurzen Schaltzeiten vorteilhaft ist. Eine geringe Fasentiefe bzw. -breite ergibt einen geringeren Materialabtrag. Das ermöglicht eine hohe Formhaltigkeit des Werkzeugs, große Abrichtintervalle und hohe Standmengen.

Die Erfindung arbeitet so genau, daß es möglich ist, die Fase im ersten Verfahrensschritt nur durch Drehen zu erstellen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Verfahrensschritt Feinschleifen der Fase in zwei Schritten, nämlich Vorschleifen und Fertigschleifen, durchgeführt wird. Damit wird die Oberflächenqualität der Fase weiter gesteigert.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß nach dem Feinschleifen der Fase die Bohrung ein weiteres Mal gehont wird. Auf diese Weise erfolgt auch das Honen der Bohrung in zwei Schritten, nämlich Vorhonen und Fertighonen; dabei dient der erste Schritt (Vorhonen) dazu, die Bohrung für die Führung des konischen Werkzeugs beim Feinschleifen der Fase vorzubereiten. Das Fertighonen hat eine weitere Verbesserung der Oberfläche der Bohrung zur Folge. Gleichzeitig können von der Führung des Werkzeugs beim Feinschleifen der Fase herrührende Riefen beseitigt und auch der Grat zwischen Fase und Bohrung beseitigt werden.

Als maßgenaue Ausbildung des Zapfens bezüglich der bereits gehonten Bohrung ist eine Genauigkeit anzusehen, die ein radiales Spiel von nur wenigen Mikrometern ergibt.

Ein Werkzeug zur Durchführung dieses Verfahrens im Verfahrensschritt Feinschleifen der Fase ist dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schaft mit Einspannzapfen, einen sich daran anschließenden konischen Schleifabschnitt, dessen Winkel gleich dem Sollwinkel der Fase ist, sowie einen sich daran anschließenden maßgenauen Führungszapfen aufweist. Die Besonderheit ist darin zu sehen, daß der Führungszapfen maßgenau auf die im vorhergehenden Verfahrensschritt hergestellte gehonte Oberfläche der Bohrung abgestimmt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Werkzeuges wird dieses mit einer axial wirkenden Feder zur Anlage an die Fase gebracht. Während der Drehbewegung wird der konische Schleifabschnitt durch eine Druckfeder gegen die zu bearbeitende Dichtfläche, die durch die Fase gebildet wird, gedrückt. Die Tiefe der Fase wird durch das Auftreffen der vorderen Störkante eines Bauteils, der den Schleifabschnitt des Werkzeugs fest aber verstellbar umgibt, auf einer die Bohrung und die Fase umgebenden Fläche des Werkstücks bestimmt. Die Tiefe der Fase ist allerdings meist gering, weil die Höhe der Fase bei einer Einspritzpumpe in der Größenordnung von einigen hundertstel oder allenfalls zehntel Millimetern liegt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man die Dichtheit des Ventils schon bei einer Höhe der Fase von z. B. 0,030 mm erreichen. Dies hat den Vorteil, daß man sehr geringe Schaltwege für die Dichtnadel, die auf der Fase aufsitzt und das Ventil bildet, benötigt. Geringe Schaltwege aber bedeuten kurze Schaltzeiten. Während es bisher bekannt war, Schaltwege in der Größenordnung von z. B. 0,40 mm und damit Schaltzeiten von 1200 µs bis 10 000 µs zu haben, ergeben sich bei einer Fase von nur 0,030 mm Schaltzeiten in der Größenordnung von lediglich 400 µs.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den weiteren Unteransprüchen definiert.

Ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Werkstück, welches mit einer Bohrung versehen ist;

Fig. 2 die Bohrung und die Fase nach dem ersten Bearbeitungsschritt (Herstellung der Fase);

Fig. 3 den dritten Verfahrensschritt (Feinschleifen der Fase);

Fig. 4 das beim Feinschleifen der Fase im zweiten Verfahrensschritt verwendete Werkzeug im Detail.

Das zu bearbeitende Werkstück 1 hat eine horizontale Bohrung 2 und eine vertikale Bohrung 3. Die horizontale Bohrung 2 ist ein Sackloch mit innerem Freischnitt. Die vertikale Bohrung 3 ist an beiden Enden absatzartig erweitert.

Zunächst wird die Bohrung 3 gebohrt. Dann wird, z. B. mit einem Drehwerkzeug, die aus Fig. 2 ersichtliche Fase hergestellt und zwar so, daß sie die mit 5-1 bezeichnete Form hat. Bei einem Sollwinkel der Fase von 140° nach der gesamten Bearbeitung erfolgt die Herstellung der Fase mit der Form 5-1 durch Drehen in diesem ersten Verfahrensschritt mit einem den Sollwinkel etwas überschreitenden Winkel, also z. B. mit 150°.

Danach wird die Bohrung 3, welche an ihrem Bohrungsanfang mit der Fase in der Form 5-1 ausgestattet ist, mit einem ersten Honwerkzeug (nicht gezeigt) einer ersten Honbearbeitung unterzogen. Das ist ein bekannter Bearbeitungsvorgang, der daher nicht weiter beschrieben werden muß. Dieser Honvorgang bildet den Verfahrensschritt (b). Dadurch erhält man eine hohe Maßgenauigkeit und eine gute Oberfläche der Bohrung 3.

Diese hohe erzielte Qualität der Oberfläche der Bohrung 3 durch das Honen wird im weiteren Verfahrensschritt (c) dazu ausgenutzt, das Werkzeug 6, das zu diesem Zweck einen maßgenauen Führungszapfen 7 aufweist, quasi spielfrei und damit extrem genau zu führen. Der Durchmesser des Führungszapfens 7 wird in der Bohrung 3 nach der ersten Honbearbeitung mit sehr kleinen im Mikrometerbereich liegendem radialen Spiel, also quasi spielfrei, geführt. Das Werkzeug 6 ist das konische Werkzeug, das im Schritt (c) Verwendung findet. Es weist, wie aus Fig. 3 und Fig. 4 ersichtlich, am oberen Ende eines Schaftes 8 einen Einspannzapfen 9, mit dem es in einer rotierenden Spindel aufgenommen und angetrieben wird, auf. An den Schaft 8 schließt sich der konische Schleifabschnitt 10 und an diesem der Führungszapfen 7 an. Der Konuswinkel des Schleifabschnitts 10 ist gleich dem Sollwinkel, also dem endgültigen Winkel der Fase von 140°. Das ist der Winkel der Fase in der Form 5-2 (Fig. 2) ist. Daraus folgt, daß beim Feinschleifen der Fase in diesem Verfahrensschritt der Schleifabschnitt 10 mit einem Winkel von 140° auf die im ersten Verfahrensabschnitt mit einem etwas größeren Winkel von 150° gedrehte Form 5-1 der Fase auftrifft. Also trifft der Schleifabschnitt 10 zuerst auf den Übergang der Fase in die Bohrung 3 und erstellt demzufolge die endgültige Form der Fase 5 von innen nach außen. Beim Schleifen der Fase wird somit innen zunächst mit einer linienförmigen Berührung beginnend geschliffen; die Berührung verbreitert sich aber dann stetig bei fortschreitender Bearbeitung nach außen, bis schließlich die gesamte Fase in die endgültige Form 5-2 gebracht ist.

Die Höhe 11 der Fase in der Form 5-2 (siehe Fig. 2) nach der Fertigbearbeitung in Schritt (c) kann, wie bereits eingangs erwähnt, klein sein und bei 0,03 mm liegen.

Der Schaft 8 des Werkzeugs 6 weist zwei teleskopartig gegeneinander verschiebbare Hülsenelemente 12 und 13 auf. Das Hülsenelement 12 ist im wesentlichen eine Kappe, an die ein Einspannzapfen 9 angeformt ist. Die Wandung ist mit zwei Langlöchern 14 und 15 versehen, die sich in Achsrichtung erstrecken und in die die Enden eines Querbolzens 16 eingreifen. Er ist verschiebefest im Schaft 13 gehalten und erstreckt sich senkrecht zur Längsachse des Hülsenelements 13. Auf diese Weise erreicht man die notwendige Führung der beiden Hülsenelemente 12 und 13 bei ihrer Relativbewegung. Eine Druckfeder 17 hält das Hülsenelement 13 in seiner ausgefahrenen Lage (Fig. 4). Sie wird zusammengedrückt, wenn man das Werkzeug 6 auf die Fase in Ford 5-1 zur Bearbeitung in Schritt (c) aufsetzt.

Das zweite Hülsenelement 13 ist mit einem Innengewinde versehen, das in ein Außengewinde des Abschnitts 19 des Schaftes 8 eingreift. Dadurch ist die Lage des Hülsenelementes 13 relativ zum Schaft 8 in Längsrichtung des Werkzeugs ein- und feststellbar. Die Stellschraube 20 sichert die eingestellte Lage. Die Störkante 18 des Hülsenelementes 13 bildet auf der die Bohrung 3 umgebenden Fläche 3 des Werkstücks 1 einen Anschlag und bestimmt somit die Höhe 11 der fertig geschliffenen Fase in Form 5-2.

Für das Schleifen der Fase in Form 5-2 nach Schritt (c) kann man zwei Schleifvorgänge vorsehen. Mit dem ersten Vorgang wird die bereits eingedrehte Fase vorgeschliffen und im zweiten Vorgang wird sie mit einem Werkzeug feinerer Körnung fertiggeschliffen.

Wenn auf die vorstehend geschilderte Weise die Fase 5-2 fertig bearbeitet ist, kann man die Bohrung 3 in einem zweiten Honvorgang nochmals bearbeiten. Sieht man dies vor, dann ist der erste Honvorgang ein Vorhonen, der zweite Honvorgang ein Fertighonen. Mit dem Einführen eines Honwerkzeugs in die Bohrung 3 beim zweiten Honvorgang nach dem Fertigschleifen der Fase wird auch der Grat am Übergang von der Fase in Form 5-2 zur Bohrung 3 beseitigt.

Das Werkzeug 6 ist in der Spindel der Bearbeitungsmaschine starr gehalten. Es erfolgt eine Drehbewegung im Sinne des Pfeils 21 sowie eine Zustellbewegung in Pfeilrichtung 22 (Fig. 3). Eine einwandfreie Bearbeitung der Bohrung und der Fase macht es dann erforderlich, das Werkstück in bekannter Weise kardanisch zu lagern. Fig. 3 entnimmt man, daß am Führungszapfen des Werkzeugs 6 eine Schmiernut 23 vorgesehen ist.

Claims

1. Verfahren zum Schleifen einer Fase am Anfang einer Bohrung (3), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

(a) die Fase wird zunächst in einer Form (5-1), deren Öffnungswinkel etwas größer als der Sollwinkel (5-2) ist, hergestellt;
(b) die Bohrung (3) wird gehont;
(c) die Fase wird dann mit einem konischen Werkzeug (6), dessen Winkel gleich dem Sollwinkel der Fase ist, auf ihr Sollmaß (5-2) feingeschliffen; dabei wird das Werkzeug (6) mittels eines Führungszapfens (7) in der gehonten Bohrung (3) geführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Fase (5-1) im Schritt (a) mittels eines Drehwerkzeugs erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt Feinschleifen der Fase in ihre endgültige Form (5-2) in den Schritten Vorschleifen und Fertigschleifen erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Feinschleifen der Fase in ihre endgültige Form (5-2) die Bohrung (3) nochmals gehont wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fase (5-2) am Übergang in die Bohrung (3) entgratet wird.

6. Werkzeug (6) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schaft (8) mit Einspannzapfen (9), einen sich daran anschließenden konischen Schleifabschnitt (10), dessen Winkel gleich dem Sollwinkel der Fase in ihrer endgültigen Form (5-2) ist, sowie einen sich daran anschließenden maßgenauen Führungszapfen (7) aufweist.

7. Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft zwei teleskopartig gegeneinander verschiebbare Hülsenelemente (12, 13) trägt, zwischen denen eine Druckfeder (17) angeordnet ist, daß das erste Hülsenelement (12) den Einspannzapfen (9) und das zweite Hülsenelement (13) den konischen Schleifabschnitt (10) aufweist, und daß das zweite Hülsenelement (13) mit dem Führungszapfen (7) versehen ist.