DE4441623C2 - Verfahren und Werkzeug zum Schleifen einer Fase am Anfang einer Bohrung - Google Patents
Verfahren und Werkzeug zum Schleifen einer Fase am Anfang einer BohrungInfo
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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 (7)
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.
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