EP0555285B1 - Process for machining the inner surfaces of bores - Google Patents

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EP0555285B1
EP0555285B1 EP91918737A EP91918737A EP0555285B1 EP 0555285 B1 EP0555285 B1 EP 0555285B1 EP 91918737 A EP91918737 A EP 91918737A EP 91918737 A EP91918737 A EP 91918737A EP 0555285 B1 EP0555285 B1 EP 0555285B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tool
process according
oscillation
honing
ultrasonic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP91918737A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0555285A1 (en
Inventor
Oswald Kopp
Gerhard Flores
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kopp Verfahrenstechnik GmbH
Original Assignee
Kopp Verfahrenstechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kopp Verfahrenstechnik GmbH filed Critical Kopp Verfahrenstechnik GmbH
Publication of EP0555285A1 publication Critical patent/EP0555285A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0555285B1 publication Critical patent/EP0555285B1/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B24B1/04Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes subjecting the grinding or polishing tools, the abrading or polishing medium or work to vibration, e.g. grinding with ultrasonic frequency
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B33/00Honing machines or devices; Accessories therefor
    • B24B33/02Honing machines or devices; Accessories therefor designed for working internal surfaces of revolution, e.g. of cylindrical or conical shapes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B33/00Honing machines or devices; Accessories therefor
    • B24B33/08Honing tools
    • B24B33/085Honing tools in which the honing element consists of a deformable body

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for machining the inner surfaces of bores in workpieces, in which a tool coated with an abrasive coating simultaneously executes a rotary movement, an axial lifting movement and which also carries out an ultrasonic oscillation superimposed on the movements mentioned.
  • a second embodiment which is described in the same document, generates a vibration between the inner surface of the bore and the stones of the Abrasive coating of the tool in that the platform on which the workpiece is attached is set in a rapid up and down movement.
  • the platform is provided with a vibration excitation device which has a coil excited with an electromagnetic oscillation.
  • this oscillation is said to lead to the collapse of abrasive grains and thus to the self-sharpening of the cutting surface. No information is given on the frequency; due to the mechanical conditions, however, it can be assumed that in this case too it is around 100 Hz.
  • the adjustment mechanism shown (FIG. 2) or the platform with workpiece (FIG. 3) would be too slow for higher frequencies.
  • the rotationally symmetrical workpieces are given a rotary movement, while a honing stone sits on the outer surface, which is given a high-frequency oscillating movement parallel to the axis of rotation of the workpiece (DE 35 33 082 A1).
  • the vibrations that are used generally have frequencies of up to 3000 vibrations per minute, i.e. up to 50 Hz.
  • Japanese patent application J 02 212 069-A describes a method for machining workpieces from a Aluminum-silicon carbide alloy that performs an axial movement, a rotating movement and an expanding movement. It is stated that the workpiece or tool vibrates at high frequency (ultrasonic). However, no further details can be found in this publication. In particular, it is not apparent in what way shape corrections on the workpiece can be achieved by increased material removal.
  • a honing tool in which the cutting surface is attached to a shaft, which can be elastically expanded by an expansion piece, and in which the expansion piece can be inserted into a recess in the shaft.
  • This tool is made of hard tissue or hard paper by mechanical processing from wound and, if necessary, pressed tubes or plate material manufactured in order to obtain variable and, at the same time, finely adjustable expansions that can be varied within wide diameter limits.
  • the grinding or polishing mandrels thus obtained serve as carriers for loose grinding and polishing agents. They are not suitable for improving the known methods described in the sense of an improved shape correction through higher material removal.
  • the invention is based on the object of further improving the method and the device of the type mentioned at the outset, on the one hand in such a way that a greater removal of material can be achieved and on the other hand in that better form corrections are possible.
  • the invention now surprisingly shows up not only increased material removal compared to the prior art, but also better shape corrections of the bore are possible with it.
  • a new surface and a method for its production are given.
  • the new process enables in particular high machining allowances with relatively fine grain sizes with fine machining surfaces.
  • the previous quality limits of conventional honing are exceeded.
  • values around 0.6 ⁇ m R z were the limit for hardened steel.
  • This surface quality could be significantly improved with the method according to the invention.
  • the high frequency honing according to the invention results in relatively low machining forces. The consequence of this is only an extremely small formation of burrs.
  • a new surface structure is created with a particularly high proportion of load. According to the kinematics, a periodic surface pattern is created with regular "troughs" or "pockets", which, as mentioned, are particularly suitable for holding lubricants.
  • FIG. 1 shows a honing tool 1.
  • the usual honing movement that results in the cross-section is the sum of a rotary movement (corresponding to arrow 2) and a periodic back and forth Movement (lifting movement).
  • a third movement namely a short-stroke ultrasonic oscillation of the tool, is superimposed on these two movement components, which leads to a natural oscillation of the tool in the natural resonance range.
  • the excitation by a vibration exciter takes place in the axial direction parallel to the stroke movement 3.
  • This inherently resonant vibration of the tool leads to elastic deformations of the tool and thus to movements of the individual areas of the tool both in the axial and in the radial direction, as indicated by the arrows 32 and 33 indicated.
  • the oscillation takes place at a frequency of 21.7 kHz with an amplitude that could be set to a maximum of 15 ⁇ m.
  • the workpiece 4 has a bore 5, the inner surface of which is to be machined.
  • the honing tool 1 is - as known per se - designed as a mandrel honing tool and provided with a conical cutting zone 6, the rear larger diameter D 1 of which is slightly larger than the smallest diameter of the bore 5 not yet machined with the honing tool 1.
  • the front smaller diameter D 2 allows the introduction of the tool 1.
  • the conical cutting zone 6 moves into the bore 5 and works off the material which corresponds to a bore diameter of less than D 1.
  • the honing tool 1 is cylindrical, so that it is in the Hole is inserted.
  • the machining is preferably carried out with an axial double stroke.
  • FIG. 2 shows the control diagram of the stroke movement 3 at (a), the rotary movement 2 at (b) and the ultrasound excitation at (c) in their temporal association with one another and as a function of time.
  • the broader line at (c) indicates the amplitude of the ultrasonic vibration.
  • the residence time dt at (a) is adjustable. Points A, B, C, D can also be set, ie the start and the beginning of the rotary movement and the high-frequency vibration.
  • the movement path of a tip of an abrasive grain 7 as a function of time is shown in a range from 0 to 300 ⁇ sec in FIG. 2.
  • the upper and lower boundary lines, which each represent a rising path, correspond to the oblique course of the grooves in conventional honing.
  • Figure 5 shows an apparatus for performing the method.
  • the honed to the dimensions D1 and D2 and contour honing tool 1 is received with its tool receiving cone 8 in a conical receiving opening 8 'of the sound transmission body 9.
  • the sound transmission body 9 has two flanges 10, 11, which are provided at the points 10 ', 11' in the depicted manner with grooves, so that thin points 10 ', 11' arise, which have the effect of an articulated suspension, so that an axial high-frequency ultrasonic vibration, which the sound transmission body 9 carries out, is not transmitted to the housing 12.
  • the sound transmission body 9 is made of titanium, for example.
  • the housing 12 consists of the cylindrical part 13, the lower cover 14 and the upper cover 15.
  • the upper cover 15 has in the middle a bore 16 provided with an internal thread, into which the threaded pin 17 projects, which is fixed with the receiving hub 18 connected is. Housing cover 15 and receiving hub 18 are thus firmly screwed together, the disc 19 being clamped in between. In this way rotates the housing 12 with the receiving hub 18, which in turn is driven in the direction of rotation via toothed belt wheel 20 and toothed belt 21.
  • the entire unit, as shown in FIG. 5, including a motor (not shown) can be moved up and down to produce the lifting movement, as is known per se from conventional honing machines, so that a more detailed description of the structural details is provided here Connection can be dispensed with.
  • the entire arrangement is firmly clamped by the clamping screw 29, which is screwed into the sound transmission body 9.
  • the centering takes place by means of centering sleeve 29 '.
  • a coolant channel 30 passes through the sound transmission body 9 and the clamping screw 29.
  • the interior of the housing, the line 31 and the openings in the disk 19 and in the cover 15, a cooling medium can be supplied.
  • FIG. 6 shows the simplest form of a honing tool 1 as a fixed mandrel with fixed, non-adjustable external dimensions.
  • the cutting surface has the contour 40, as shown in detail in FIG. 7, namely an insertion zone 37 over approximately less than 10% of its length, followed by the cutting zone 6 already mentioned, which is approximately over a little less than half of the total Length of the cutting agent covering extends, as does the cylindrical guide zone 38 thereafter.
  • honing tool 100 is shown in FIG. 8.
  • the cutting surface 40 which has the contour according to FIG. 8, is applied to a shaft 101 which can be elastically expanded by means of an expansion piece 102.
  • the tool 1 carries out a natural vibration, preferably in the resonance range.
  • the tool 1 does not act as a rigid transmission element of the high-frequency ultrasonic oscillation, but rather is itself the medium of the ultrasonic oscillation, ie the longitudinal and transverse waves triggered by the excitation.
  • the ultrasound vibration exciter 25 To a cheap coupling of the To reach ultrasound energy from the ultrasound vibration exciter 25 into the tool 1, the ultrasound vibration exciter 25 must have a frequency that is as close as possible to the natural resonance of the tool 1.
  • the tool does not vibrate.
  • the sound wave resistance of the vibration exciter must also be as equal as possible to that of the tool 1.
  • the natural frequency of the tool 1 is determined by the dimensions (length, diameter), the modulus of elasticity of the material and the speed of sound given in the material.
  • the modulus of elasticity is approx. 21,000 daN / mm2 and the speed of sound is 5,960 m / sec. at 21.7 kHz, this gives half a wavelength equal to 187 cm. This is the free tool length from the clamping cone.
  • FIG. 9 shows how the natural vibration of the tool 1 is represented geometrically.
  • the diameter of the tool at (a) has its greatest value D max , while the length L has the minimum value L min .
  • the zero crossing of the vibration in the longitudinal direction the average diameter D0 and the average length L0 result.
  • the minimum diameter D min and the maximum length L max are assigned to the situations according to (a), (b) and (c).
  • the movement component 33 in the radial direction is the reason why 40 small individual pockets are introduced in the radial direction into the inner surface of the machined bores during the circulation of an abrasive grain of the cutting agent coating.
  • Figure 10 shows, as a photograph - since it cannot be represented otherwise - this novel surface, a distance, which in reality corresponds to 30 ⁇ m, is shown in the photograph to clarify the scale. It has now surprisingly been found that along the oblique grooves which result in the cross-grinding pattern during classic honing, troughs or pockets, which are practically “hammered” or “chiseled in” during the circulation, practically arise at short intervals due to the superimposed high-frequency vibration with radial and axial components , whereby - as can easily be seen from this photograph - burr-free, flat load-bearing areas are created between the troughs, which other components can carry.
  • the pockets or depressions serve as an oil reservoir for lubricants in the inner surfaces of the bores. This is especially so of the utmost importance if otherwise a surface of extremely good quality is achieved.
  • the material is removed evenly and a surface pattern is created that is periodic in accordance with the kinematics. It is of course heavily dependent on the set parameters. At a low speed, for example, the cutting tracks created by the high-frequency oscillation are very close together. At a high speed, these cutting marks are stretched accordingly and result in a somewhat less favorable bearing component.
  • the load share was approximately 30% in a test series with a cutting depth of approx. 0.2 ⁇ m.
  • the new surface results in an extreme improvement of the wearing properties. If, for example, a specific bore is machined in two machining stages with grit D46 and D15 (according to the FEPA definition; see VDI guidelines VDI 3394 from June 1980), the bore geometry (straightness, roundness) is less than 0.5 ⁇ m reachable. This was carried out on a trial basis for workpieces which were conventionally pre-honed to a diameter of 6.955 to 6.965 mm and were finished in two further processing steps using the method according to the invention. The surface roughness was initially 0.7 ⁇ m R z and could be improved to less than 0.4 ⁇ m R z with increasing numbers. Diamond was used as the grain.
  • superabrasive materials are considered, in addition to Diamond cubic boron nitride (CBN), possibly for bores made of soft material (e.g. aluminum) also ruby, sapphire, corundum.
  • CBN Diamond cubic boron nitride
  • machining forces that occur are of particular importance for the application of the method according to the invention.
  • 10 ⁇ m difference in the diameter of the unfinished bore compared to the final dimension desired by machining
  • an axial force of 1.0 N and a torque of 1.120 Ncm were determined.
  • a direct comparison with a machining process in which the same tool would have been used without high-frequency exposure was not possible, since it would not be possible to add more than 4 ⁇ m without the high-frequency oscillation. If you want to remove more material with one stroke without HF oscillation, the tool seizes up. But even with an addition of 4 ⁇ m without high-frequency oscillation, i.e.
  • FIG. 11 finally shows the honing addition dz (in micrometers) as a function of the grain k (according to the FEPA definition) in the comparison between the - known - mandrel honing (lower bar with a grain size D15 to D181) compared to the high-frequency honing ( black filled area).
  • the workpiece was hardened steel with a hardness of more than 60 HRc.
  • the vibration ratios over the length of the tool 1 result from FIG. 12 in the event that the length of the tool 1 is equal to half the wavelength of the ultrasonic vibration.
  • a prerequisite for the occurrence of a natural vibration is that the length of the tool 1 from the clamping cone, which lies in the "restraining plane", is a very large multiple (including 1 times) of half the wavelength.
  • the vibration in the radial direction, the component 33, and the vibration in the axial direction, the component 32 are entered to the left of the tool and related to the length of the workpiece 1.
  • FIG. 13 A particularly advantageous embodiment of the invention results from FIG. 13.
  • This representation corresponds essentially to FIG. 9, but with the difference that the shape the tool in the idle state (zero crossing (b)) is not cylindrical, but has a convex contour. It then follows that in the state in the greatest radial expansion according to (a), ie at D max and L min, the tool has a cylindrical shape.
  • the addition of the diameter depends on the input amplitude. With a change in the amplitude of the ultrasonic vibration, by which the natural vibration of the tool 1 is excited, the amplitude of the axial vibration component 33 and thus also D max can also be set. These parameters also directly influence the quality of the machined hole.
  • the roughness depth R Z decreases in an essentially linear dependence on the amplitude and frequency.

Abstract

According to a process for machining bores of workpieces, a honing tool provided with an abrasive coating and radially pressed against the wall of the bore carries out simultaneous rotary and reciprocal movements. In addition to the reciprocal and rotary movements (2, 3), the honing tool (1, 100) vibrates with a high-frequency, short-hub natural vibration (31, 22) excited by ultrasonic oscillation in the range between 16 and 40 KHz.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten der Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken, bei dem ein mit Schleifmittelbelag belegtes Werkzeug gleichzeitig eine Drehbewegung, eine axiale Hubbewegung und das ferner eine den genannten Bewegungen überlagerte Ultraschall-Oszillation ausführt.The invention relates to a method and a device for machining the inner surfaces of bores in workpieces, in which a tool coated with an abrasive coating simultaneously executes a rotary movement, an axial lifting movement and which also carries out an ultrasonic oscillation superimposed on the movements mentioned.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der Veröffentlichung "Frequenz-Honen für hohe Abtragraten" aus der Zeitschrift Werkstatt und Betrieb 118 (1985 (7), Seite 393-395 (vgl. insbesondere Seite 394, Ziff. 4.1) bekannt. Dort wird der aus Drehbewegung und axialer Hubbewegung gebildeten schraubenlinienförmigen Grundbewegung des Honvorgangs eine oszillierende Relativbewegung überlagert. Dadurch wird eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit (beim Vorwärtshub) und ein Selbstschärfen der Honsteine (beim Rückwärtshub) erreicht. Die Erzeugung der Oszillation erfolgt durch zwei Hydraulikzylinder. Daraus läßt sich, obwohl in der genannten Druckschrift genauere Angaben nicht gemacht worden sind, schließen, daß es sich bei dieser dritten Bewegungskomponente um eine Bewegung mit einer Frequenz von höchstens einigen 100 Hz handelt. Die Honsteine werden dabei hydromechanisch mit konstantem Druck angepreßt.Such a device is known from the publication "Frequency honing for high removal rates" from the journal Werkstatt und Betrieb 118 (1985 (7), pages 393-395 (cf. in particular page 394, section 4.1). There, the rotation movement and axial stroke movement formed helical basic movement of the honing process overlaid an oscillating relative movement. This increases the cutting speed (for the forward stroke) and self-sharpening the honing stones (for the reverse stroke). The oscillation is generated by two hydraulic cylinders. From this, although more precise details have not been given in the cited publication, it can be concluded that this third movement component is a movement with a frequency of at most a few 100 Hz. The honing stones are pressed hydromechanically with constant pressure.

Aus der US-Patentschrift 29 39 250 ist ein als "Resonanzhonen" bezeichnetes Verfahren bekannt geworden, das mit einem Honwerkzeug arbeitet, dessen mit Schneidmittelbelag belegte Honleisten dadurch in radialer Richtung verstellbar sind, daß ihre schrägen Zustellflächen mit entsprechend schrägen Zustellflächen einer Zustellstange zusammenwirken. Die Zustellstange wird nun durch eine sie umgebende Spule einem oszillierenden elektromagnetischen Feld ausgesetzt, das als Folge einer Magnetostriktion zu entsprechenden periodischen Verkürzungen bzw. Verlängerungen der Zustellstange führt. Daraus ergeben sich über den genannten Verstellmechanismus entsprechende radiale Hin- und Herbewegungen der Honleisten. Ein zweites Ausführungsbeispiel, das in derselben Druckschrift beschrieben ist, erzeugt eine Schwingung zwischen der inneren Oberfläche der Bohrung und den Steinen des Schleifmittelbelages des Werkzeuges dadurch, daß die Plattform, auf der das Werkstück befestigt ist, in eine schnelle Auf- und Abwärtsbewegung versetzt wird. Zu diesem Zweck ist die Plattform mit einer Schwingungserregervorrichtung versehen, die eine mit einer elektromagnetischen Oszillation erregte Spule aufweist. Bei beiden Varianten der US-PS 29 39 250 soll diese Oszillation soll zum Zusammenbrechen stumpf gewordener Schleifkörner und damit zur Selbstaufschärfung des Schneidbelages führen. Angaben zur Frequenz werden nicht gemacht; aufgrund der mechanischen Gegebenheiten läßt sich aber vermuten, daß sie auch in diesem Fall bei einigen 100 Hz liegt. Für höhere Frequenzen wäre der gezeigte Verstellmechanismus (Fig. 2) bzw. der Plattform mit Werkstück (Fig. 3) zu träge.From US Pat. No. 2,939,250 a method known as "resonance honing" has become known which works with a honing tool, the honing stones covered with cutting agent coating are adjustable in the radial direction in that their inclined infeed surfaces interact with correspondingly oblique infeed surfaces of an infeed rod. The delivery rod is now exposed to an oscillating electromagnetic field by a coil surrounding it, which as a result of magnetostriction leads to corresponding periodic shortening or lengthening of the delivery rod. This results in corresponding radial reciprocating movements of the honing stones via the adjustment mechanism mentioned. A second embodiment, which is described in the same document, generates a vibration between the inner surface of the bore and the stones of the Abrasive coating of the tool in that the platform on which the workpiece is attached is set in a rapid up and down movement. For this purpose, the platform is provided with a vibration excitation device which has a coil excited with an electromagnetic oscillation. In both variants of US Pat. No. 2,939,250, this oscillation is said to lead to the collapse of abrasive grains and thus to the self-sharpening of the cutting surface. No information is given on the frequency; due to the mechanical conditions, however, it can be assumed that in this case too it is around 100 Hz. The adjustment mechanism shown (FIG. 2) or the platform with workpiece (FIG. 3) would be too slow for higher frequencies.

In der US-Patentschrift 29 39 251 ist, ebenfalls mit dem Ziel des ständigen Selbstschärfens des Schneidbelages, ein Verfahren beschrieben, bei dem dem Werkstück (vgl. Figur 2) oder dem Werkzeug (vgl. Figur 9) eine dritte Schwingung erteilt wird, die im Bereich von 20-100 000 Hz, vorzugsweise oberhalb des hörbaren Bereiches liegt, um störende Geräusche für die Umgebung zu vermeiden. Es handelt sich aber auch dabei um elektromagnetisch erregte Schwingungen, die mit Hilfe Spulen erzeugt werden, die den Werkzeug- bzw. Werkstückhalter entsprechend hin und her bewegen. Der Werkzeug- bzw. Werkstückhalter gerät aber nicht in Eigenschwingung, sondern wirkt als starres Mittel der Schwingungsübertragung vom Schwingungserreger zum Werkzeug bzw. zum Werkstück.In US Pat. No. 2,939,251, also with the aim of constantly self-sharpening the cutting surface, a method is described in which the workpiece (see FIG. 2) or the tool (see FIG. 9) is given a third vibration which is in the range of 20-100,000 Hz, preferably above the audible range, in order to avoid disturbing noises for the environment. However, these are also electromagnetically excited vibrations that are generated with the aid of coils that move the tool or workpiece holder back and forth accordingly. However, the tool or workpiece holder does not vibrate naturally, but acts as a rigid means of transmitting vibrations from the vibration exciter to the tool or workpiece.

Bei dem sog. Superfinishen (auch: Außenhonen) im Durchlaufverfahren wir den rotationssymmetrischen Werkstücken eine Drehbewegung erteilt, während auf der Außenfläche ein Honstein aufsitzt, dem eine hochfrequente Schwingbewegung parallel zur Drehachse des Werkstückes erteilt wird (DE 35 33 082 A1). Die Schwingungen, die dabei eingesetzt werden, haben in aller Regel Frequenzen von bis zu 3000 Schwingungen pro Minute, d.hl von bis zu 50 Hz. Zur Verbesserung des Werkstückabtrags hat man bei dem Verfahren nach der genannten Druckschrift versucht, schrittweise vorzugehen und zwischen den einzelnen Schritten, jeweils nach einem bestimmten erzwungenen Zustellweg, den Superfinishstein ausfeuern lassen.In the so-called superfinishing (also: external honing) in a continuous process, the rotationally symmetrical workpieces are given a rotary movement, while a honing stone sits on the outer surface, which is given a high-frequency oscillating movement parallel to the axis of rotation of the workpiece (DE 35 33 082 A1). The vibrations that are used generally have frequencies of up to 3000 vibrations per minute, i.e. up to 50 Hz. To improve workpiece removal, an attempt was made in the process according to the document mentioned to proceed step by step and between the individual steps, each after a certain forced delivery route, let the superfinishing stone fire.

Im Zusammenhang mit dem Superfinishen, d.h. der Bearbeitung der Außenflächen von rotationssymmetrischen Werkstücken, hat man auch bereits versucht, Ultraschallwellen zur Reinigung der Honsteine einzusetzen (vgl. DE-AS 24 35 848). Dabei wird die Ultraschallschwingung jedoch nicht dem Werkzeug aufgezwungen, sondern vielmehr über das Medium Spülmittel-Flüssigkeit in die Fläche zwischen Werkzeug und Werkstück eingestrahlter, und bei Loslösung und das Ausspülen stumpfer bzw. abgebrochener Körner zu fördern.In the context of superfinishing, i.e. the processing of the outer surfaces of rotationally symmetrical workpieces, attempts have also already been made to use ultrasonic waves for cleaning the honing stones (cf. DE-AS 24 35 848). However, the ultrasonic vibration is not forced onto the tool, but rather to promote blasted or broken grains into the surface between the tool and the workpiece via the detergent-liquid medium.

Die japanische Patentanmeldung J 02 212 069-A beschreibt ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken aus einer Aluminium-Silizium-Karbid-Legierung, das eine Axialbewegung, eine Drehbewegung und eine Aufweitbewegung ausführt. Dabei ist angegeben, daß das Werkstück oder das Werkzeug hochfrequent (ultrasonic) vibriert. Nähere Angaben hierzu finden sich in dieser Druckschrift jedoch nicht. Es ist insbesondere nicht ersichtlich, in welcher Weise Formkorrekturen am Werkstück durch einen erhöhten Materialabtrag erreicht werden können.Japanese patent application J 02 212 069-A describes a method for machining workpieces from a Aluminum-silicon carbide alloy that performs an axial movement, a rotating movement and an expanding movement. It is stated that the workpiece or tool vibrates at high frequency (ultrasonic). However, no further details can be found in this publication. In particular, it is not apparent in what way shape corrections on the workpiece can be achieved by increased material removal.

Das sog. "Ultraschall-Erodieren" betrifft technologisch nicht die Bearbeitung der Innenflächen von Bohrungen, sondern vielmehr das Einbringen von Bohrungen überhaupt mittels ultraschallerregter Bearbeitungsköpfe. Man hat dieses Verfahren auch bereits mit Bohrmaschinen kombiniert (vgl. US-PSen 3 614 484 und 4 828 052). Damit gelingt es, Bohrungen in Materialien einzubringen, die für das normale Bohren zu hart sind. Es handelt sich dabei aber nicht um das Nacharbeiten der Innenflächen bereits vorhandener Bohrungen.Technologically, the so-called "ultrasonic eroding" does not concern the machining of the inner surfaces of bores, but rather the drilling of bores at all by means of ultrasonic-excited machining heads. This method has also been combined with drilling machines (see US Pat. Nos. 3,614,484 and 4,828,052). This makes it possible to drill holes in materials that are too hard for normal drilling. However, it is not a matter of reworking the inner surfaces of existing holes.

Aus der DE-C 584 199 ist ein Honwerkzeug bekannt, bei dem der Schneidbelag auf einem Schaft angebracht ist, der durch ein Aufweitstück elastisch aufweitbar ist, und bei dem das Aufweitstück in eine Ausnehmung im Schaft einsetzbar ist. Dieses Werkzeug wird aus Hartgewebe oder Hartpapier durch mechanische Bearbeitung aus gewickeltem und ggf. gepressten Rohren oder Plattenmaterial hergestellt, um nach Belieben in weiten Durchmessergrenzen veränderliche und dabei fein einregulierbare Ausweitungen zu erhalten. Die so erhaltenen Schleif- oder Polierdorne dienen als Träger von losem Schleif- und Poliermittel. Zur Verbesserung der geschilderten bekannten Verfahren im Sinne einer verbesserten Formkorrektur durch höheren Materialabtrag sind sie nicht geeignet.From DE-C 584 199 a honing tool is known, in which the cutting surface is attached to a shaft, which can be elastically expanded by an expansion piece, and in which the expansion piece can be inserted into a recess in the shaft. This tool is made of hard tissue or hard paper by mechanical processing from wound and, if necessary, pressed tubes or plate material manufactured in order to obtain variable and, at the same time, finely adjustable expansions that can be varied within wide diameter limits. The grinding or polishing mandrels thus obtained serve as carriers for loose grinding and polishing agents. They are not suitable for improving the known methods described in the sense of an improved shape correction through higher material removal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs genannten Art weiterhin zu verbessern, und zwar einerseits derart, daß ein stärkerer Materialabtrag erreichbar ist, zum anderen auch dahingehend, daß bessere Formkorrekturen möglich sind.The invention is based on the object of further improving the method and the device of the type mentioned at the outset, on the one hand in such a way that a greater removal of material can be achieved and on the other hand in that better form corrections are possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw.10 gelöst.This object is achieved by the features of claims 1 and 10 respectively.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.Advantageous developments of the invention are defined in the subclaims.

Bei der Erfindung zeigt es sich nun überraschenderweise nicht nur ein im Vergleich zum Stand der Technik erhöhter Materialabtrag, sondern daß damit auch bessere Formkorrekturen der Bohrung möglich sind. Ferner entsteht auch eine "neue" durch eine Vielzahl kleiner Taschen gekennzeichnete Oberfläche. Diese Taschen (vgl. Figur 10) dienen zur Aufnahme von Schmiermittel. Das ist insbesondere bei der Erzielung einer ansonsten extremen Genauigkeit und Formgüte der Oberfläche zur Sicherung der Schmierung im Zusammenwirken mit anderen Bauteilen von großer Bedeutung, insbesondere z.B. wenn es sich um die Innenflächen der Zylinderbohrungen von Automobilmotoren oder um Steuerbohrungen von Ventilen handelt. Es wird also im Prinzip eine neue Oberfläche und ein Verfahren zu deren Herstellung angegeben.The invention now surprisingly shows up not only increased material removal compared to the prior art, but also better shape corrections of the bore are possible with it. There is also a "new" one, characterized by a large number of small pockets Surface. These pockets (see FIG. 10) are used to hold lubricant. This is particularly important when it comes to achieving an otherwise extreme accuracy and shape of the surface to ensure lubrication in cooperation with other components, especially when it comes to the inner surfaces of cylinder bores in automobile engines or control bores in valves. In principle, a new surface and a method for its production are given.

Das neue Verfahren ermöglicht insbesondere hohe Bearbeitungszugaben bei verhältnismäßig feinen Korngrößen mit feinen Bearbeitungsflächen. Mit den erreichbaren Oberflächengüten werden die bisherigen Qualitätsgrenzen des konventionellen Honens überschritten. Bisher galten Werte um 0,6 µm Rz als Grenze für gehärteten Stahl. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnte diese Oberflächenqualität deutlich verbessert werden. Das Hochfrequenzhonen gemäß der Erfindung ergibt relativ geringe Bearbeitungskräfte. Die Folge davon ist eine lediglich äußerst geringe Gratbildung. Es entsteht eine neue Oberflächenstruktur mit besonders hohem Traganteil. Entsprechend der Kinematik entsteht ein periodisches Oberflächenmuster mit regelmäßigen "Mulden" oder "Taschen", die, wie erwähnt, sich zur Aufnahme von Schmiermittel besonders eignen.The new process enables in particular high machining allowances with relatively fine grain sizes with fine machining surfaces. With the achievable surface qualities, the previous quality limits of conventional honing are exceeded. Previously, values around 0.6 µm R z were the limit for hardened steel. This surface quality could be significantly improved with the method according to the invention. The high frequency honing according to the invention results in relatively low machining forces. The consequence of this is only an extremely small formation of burrs. A new surface structure is created with a particularly high proportion of load. According to the kinematics, a periodic surface pattern is created with regular "troughs" or "pockets", which, as mentioned, are particularly suitable for holding lubricants.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:

Figur 1
ein Schema zur Erläuterung;
Figur 2
ein Steuerschema für die Bearbeitung einer Bohrung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Figur 3
den Schwingungsverlauf eines Schleifmittelkorns an der Wand einer Bohrung;
Figur 4
ein Schema zur Erläuterung der Kornüberdeckung;
Figur 5
eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 6
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Honwerkzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 7
die Kontur des Schleifmittelbelags 40 im Werkzeug 1 nach Figur 6;
Figur 8
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Honwerkzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 9
eine schematische Darstellung der elastischen Verformung der Kontur und der Länge des Werkzeugs 1 bei Durchführung der Eigenschwingung;
Figur 10
eine Oberflächenaufnahme einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Bohrung;
Figur 11
ein Schema zur Erläuterung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren Honzugaben;
Figur 12
eine zeichnerische Darstellung zur Zuordnung der Form des Werkzeuges 8 zur Lage der radialen Schwingung und Schwingung in Längsrichtung der Eigenschwingung;
Figur 13
eine Abwandlung von Figur 9 derart, daß bei maximaler Amplitude der radialen Komponente der eigenfrequenten Schwingung des Werkzeuges 1 eine zylindrische Form des Werkzeuges entsteht.
An embodiment of the invention and its advantageous Further developments are described below with reference to the accompanying drawings. They represent:
Figure 1
a diagram for explanation;
Figure 2
a control scheme for machining a hole with the inventive method;
Figure 3
the course of vibration of an abrasive grain on the wall of a bore;
Figure 4
a diagram to explain the grain coverage;
Figure 5
a device for performing the method according to the invention;
Figure 6
a first embodiment of a honing tool for performing the method according to the invention;
Figure 7
the contour of the abrasive coating 40 in the tool 1 according to FIG. 6;
Figure 8
a second embodiment of a honing tool for performing the method according to the invention;
Figure 9
a schematic representation of the elastic deformation of the contour and the length of the tool 1 when performing the natural vibration;
Figure 10
a surface photograph of a bore machined with the method according to the invention;
Figure 11
a diagram for explaining the achievable honing with the inventive method;
Figure 12
a graphic representation to assign the shape of the tool 8 to the position of the radial vibration and vibration in the longitudinal direction of the natural vibration;
Figure 13
a modification of Figure 9 such that at maximum amplitude of the radial component of the natural frequency vibration of the tool 1, a cylindrical shape of the tool is formed.

Figur 1 zeigt ein Honwerkzeug 1. Die übliche Honbewegung, die das Kreuzschliffbild ergibt, ist die Summe einer Drehbewegung (entsprechend Pfeil 2) und einer periodischen Hin- und Herbewegung (Hubbewegung). Gemäß der Erfindung wird diesen beiden Bewegungskomponenten eine dritte Bewegung, nämlich eine kurzhubige Ultraschall-Oszillation des Werkzeugs überlagert, die zu einer Eigenschwingung des Werkzeugs im Eigenresonanzbereich führt. Die Anregung durch einen Schwingungserreger erfolgt in axialer Richtung also parallel zur Hubbewegung 3. Diese eigenresonante Schwingung des Werkzeugs führt zu elastischen Verformungen desselben und damit zu Bewegungen der einzelnen Bereiche des Werkzeugs sowohl in axialer als auch in radialer Richtung, wie durch die Pfeile 32 und 33 angedeutet. Die Oszillation erfolgt in einem Ausführungsbeispiel mit einer Frequenz von 21,7 KHz einer Amplitude, die bis auf maximal 15 µm eingestellt werden konnte.FIG. 1 shows a honing tool 1. The usual honing movement that results in the cross-section is the sum of a rotary movement (corresponding to arrow 2) and a periodic back and forth Movement (lifting movement). According to the invention, a third movement, namely a short-stroke ultrasonic oscillation of the tool, is superimposed on these two movement components, which leads to a natural oscillation of the tool in the natural resonance range. The excitation by a vibration exciter takes place in the axial direction parallel to the stroke movement 3. This inherently resonant vibration of the tool leads to elastic deformations of the tool and thus to movements of the individual areas of the tool both in the axial and in the radial direction, as indicated by the arrows 32 and 33 indicated. In one exemplary embodiment, the oscillation takes place at a frequency of 21.7 kHz with an amplitude that could be set to a maximum of 15 μm.

Das Werkstück 4 weist eine Bohrung 5 auf, deren Innenfläche bearbeitet werden soll. Das Honwerkzeug 1 ist - wie an sich bekannt - als Dornhonwerkzeug ausgebildet und mit einer konischen Schneidzone 6 versehen, deren hinterer größerer Durchmesser D₁ etwas größer ist als der kleinste Durchmesser der mit dem Honwerkzeug 1 noch nicht bearbeiteten Bohrung 5. Der vordere kleinere Durchmesser D₂ erlaubt die Einführung des Werkzeuges 1. Mit dem Hub in Richtung des Pfeils fährt die konische Schneidzone 6 in die Bohrung 5 ein und arbeitet das Material ab, das einem Bohrungsdurchmesser von weniger als D₁ entspricht. Im Anschluß an die konische Schneidzone 6 ist das Honwerkzeug 1 zylindrisch ausgebildet, so daß es damit in die Bohrung eingeführt wird. Die Bearbeitung erfolgt vorzugsweise mit einem axialen Doppelhub.The workpiece 4 has a bore 5, the inner surface of which is to be machined. The honing tool 1 is - as known per se - designed as a mandrel honing tool and provided with a conical cutting zone 6, the rear larger diameter D 1 of which is slightly larger than the smallest diameter of the bore 5 not yet machined with the honing tool 1. The front smaller diameter D 2 allows the introduction of the tool 1. With the stroke in the direction of the arrow, the conical cutting zone 6 moves into the bore 5 and works off the material which corresponds to a bore diameter of less than D 1. Following the conical cutting zone 6, the honing tool 1 is cylindrical, so that it is in the Hole is inserted. The machining is preferably carried out with an axial double stroke.

Bei zusätzlicher Anregung des Honwerkzeuges 1 mit einer hochfrequenten kurzhubigen Ultraschallschwingung in axialer Richtung ergibt sich die unerwartete Wirkung, daß sehr viel mehr Material abgetragen werden kann und somit stärker als seither Formfehler der Bohrung berichtigt werden können. Es ergibt sich ferner eine neue Art von Oberfläche, die durch eine Vielzahl von kleinen taschenartigen Vertiefungen gekennzeichnet ist. Diese Oberfläche ist in Fig. 10 als Fotografie gezeigt.With additional excitation of the honing tool 1 with a high-frequency, short-stroke ultrasonic vibration in the axial direction, there is the unexpected effect that much more material can be removed, and thus more than ever since, shape errors in the bore can be corrected. There is also a new type of surface, which is characterized by a large number of small pocket-like depressions. This surface is shown in Fig. 10 as a photograph.

Figur 2 zeigt das Steuerungsdiagramm der Hubbewegung 3 bei (a), der Drehbewegung 2 bei (b) und der Ultraschallanregung bei (c) in ihrer zeitlichen Zuordnung zueinander und in Abhängigkeit von der Zeit. Die breitere Linie bei (c) deutet die Amplitude der Ultraschall-Schwingung an. Die Verweildauer dt bei (a) ist einstellbar. Ebenso sind die Punkte A, B, C, D einstellbar, d.h. jeweils Beginn und Anfang der Drehbewegung und der hochfrequenten Schwingung. Eine Maschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Berücksichtigung des Steuerdiagramms nach Figur 2 wurde versuchsweise mit folgenden Daten ausgelegt:

Figure imgb0001
FIG. 2 shows the control diagram of the stroke movement 3 at (a), the rotary movement 2 at (b) and the ultrasound excitation at (c) in their temporal association with one another and as a function of time. The broader line at (c) indicates the amplitude of the ultrasonic vibration. The residence time dt at (a) is adjustable. Points A, B, C, D can also be set, ie the start and the beginning of the rotary movement and the high-frequency vibration. A machine for performing the method according to the invention, taking into account the control diagram according to FIG. 2, was designed with the following data on a trial basis:
Figure imgb0001

Die Bewegungsbahn einer Spitze eines Schleifmittelkorns 7 in Abhängigkeit von der Zeit ist in einem Bereich von 0 bis 300 µsec in Figur 2 dargestellt. Die obere und die untere Begrenzungslinie, die je eine steigende Bahn darstellen, entsprechen dem Schrägverlauf der Riefen beim konventionellen Honen.The movement path of a tip of an abrasive grain 7 as a function of time is shown in a range from 0 to 300 μsec in FIG. 2. The upper and lower boundary lines, which each represent a rising path, correspond to the oblique course of the grooves in conventional honing.

Stellt man sich vor, daß entlang dieser hochfrequenten Schwingungsbahn die einzelnen Schleifmittelkörner 7 mit einer bestimmten Fläche auf der zu bearbeitenden Oberfläche aufliegen, so ergibt sich je nach dem, wie die Dauer einer Schwingung (Schwingungsperiode) und ihre Amplitude auf die Umfangsgeschwindigkeit des Honwerkzeugs 1 abgestimmt ist, eine der beiden Situationen, die in Figur 4 dargestellt sind. Bei (a), also bei im Verhältnis zur aufliegenden Fläche der Schneidmittelkörner 7 relativ "engen" Schwingung, ergibt sich, daß ein Schleifmittelkorn 7 bei einem ersten Ultraschallhub eine bestimmte Fläche überstreicht, die teilweise bei dem nächsten in entgegengesetzter Richtung stattfindenden Ultraschallhub ebenfalls wieder überstrichen wird. Das heißt: Dieselbe Fläche wird je nach Wahl dieser Parameter praktisch mehrfach bearbeitet, so daß es zu einem "Ausfeuer"-Effekt kommt. Durch andere Wahl dieser Parameter, wie bei (b), kann man erreichen, daß dieser Effekt auf Bereiche in Nähe der Schwingungsspitzen begrenzt wird. Im allgemeinen ist die Wahl der Paramater, so daß sich der Verlauf nach (a) ergibt, vorteilhafter.If one imagines that the individual abrasive grains 7 lie along this high-frequency oscillation path with a certain area on the surface to be machined, then it depends on how the duration of an oscillation (oscillation period) and its amplitude are matched to the peripheral speed of the honing tool 1 is one of the two situations shown in Figure 4. With (a), that is to say with relatively "narrow" vibration in relation to the surface area of the cutting agent grains 7, it follows that an abrasive grain 7 sweeps over a certain area during a first ultrasonic stroke, which in part also swept again during the next ultrasonic stroke taking place in the opposite direction becomes. That means: The same surface is processed several times, depending on the choice of these parameters, so that it leads to a "sparking" effect is coming. By choosing these parameters differently, as in (b), it can be achieved that this effect is limited to areas in the vicinity of the vibration peaks. In general, the choice of parameters is more advantageous, so that the course according to (a) results.

Figur 5 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.Figure 5 shows an apparatus for performing the method.

Das auf die Maße D₁ und D₂ und Kontur überschliffene Honwerkzeug 1 ist mit seinem Werkzeugaufnahmekonus 8 in einer Konischen Aufnahmeöffnung 8′ des Schallübertragungskörpers 9 aufgenommen. Der Schallübertragungskörper 9 weist zwei Flansche 10, 11 auf, die an den Stellen 10′, 11′ in der dargestellt abgesetzten Art mit Nuten versehen sind, so daß Dünnstellen 10′, 11′ entstehen, die die Wirkung einer gelenkigen Aufhängung haben, so daß sich eine axiale hochfrequente Ultraschall-Schwingung, die der Schallübertragungskörper 9 ausführt, nicht auf das Gehäuse 12 überträgt. Der Schallübertragungskörper 9 ist z.B. aus Titan. Das Gehäuse 12 besteht aus dem zylindrischen Teil 13, dem unteren Deckel 14 und dem oberen Deckel 15. Der obere Deckel 15 weist in der Mitte eine mit einem Innengewinde versehene Bohrung 16 auf, in die der Gewindezapfen 17 hineinragt, der mit der Aufnahmenabe 18 fest verbunden ist. Gehäusedeckel 15 und Aufnahmenabe 18 sind also miteinander fest verschraubt, wobei die Scheibe 19 dazwischen geklemmt ist. Auf diese Weise dreht sich das Gehäuse 12 mit der Aufnahmenabe 18 mit, die ihrerseits über Zahnriemenrad 20 und Zahnriemen 21 in Drehrichtung angetrieben wird. Die gesamte Einheit, wie sie in Figur 5 dargestellt ist, einschließlich eines (nicht gezeigten) Motors ist zur Erzeugung der Hubbewegung auf und ab verschiebbar, wie das an sich von üblichen Honmaschinen bekannt ist, so daß auf eine nähere Beschreibung der konstruktiven Details im vorliegenden Zusammenhang verzichtet werden kann.The honed to the dimensions D₁ and D₂ and contour honing tool 1 is received with its tool receiving cone 8 in a conical receiving opening 8 'of the sound transmission body 9. The sound transmission body 9 has two flanges 10, 11, which are provided at the points 10 ', 11' in the depicted manner with grooves, so that thin points 10 ', 11' arise, which have the effect of an articulated suspension, so that an axial high-frequency ultrasonic vibration, which the sound transmission body 9 carries out, is not transmitted to the housing 12. The sound transmission body 9 is made of titanium, for example. The housing 12 consists of the cylindrical part 13, the lower cover 14 and the upper cover 15. The upper cover 15 has in the middle a bore 16 provided with an internal thread, into which the threaded pin 17 projects, which is fixed with the receiving hub 18 connected is. Housing cover 15 and receiving hub 18 are thus firmly screwed together, the disc 19 being clamped in between. In this way rotates the housing 12 with the receiving hub 18, which in turn is driven in the direction of rotation via toothed belt wheel 20 and toothed belt 21. The entire unit, as shown in FIG. 5, including a motor (not shown) can be moved up and down to produce the lifting movement, as is known per se from conventional honing machines, so that a more detailed description of the structural details is provided here Connection can be dispensed with.

Der eigentliche Ultraschallschwingungserreger 25, der im Ausführungsbeispiel durch zwei piezoelektrische Elemente (Schwingquarze) 26 und 27 gebildet wird, sitzt auf der Oberseite des Schallübertragungskörpers 9, wobei oberhalb des Ultraschallschwingungserregers 25 noch zur Abstimmung des Schwingsystems eine eine Schwingmasse darstellende Scheibe 28 angeordnet ist. Die gesamte Anordnung ist durch die Spannschraube 29, die im Schallübertragungskörper 9 verschraubt ist, fest verspannt. Die Zentrierung erfolgt mittels Zentrierhülse 29′. Durch den Schallübertragungskörper 9 und die Spannschraube 29 geht ein Kühlmittelkanal 30 hindurch. Dem Innenraum des Gehäuses kann die Leitung 31 und die Öffnungen in der Scheibe 19 und im Deckel 15 ein Kühlmedium zugeführt werden.The actual ultrasonic vibration exciter 25, which in the exemplary embodiment is formed by two piezoelectric elements (quartz crystals) 26 and 27, is located on the top of the sound transmission body 9, with a disk 28 representing an oscillating mass being arranged above the ultrasonic vibration exciter 25 for tuning the vibration system. The entire arrangement is firmly clamped by the clamping screw 29, which is screwed into the sound transmission body 9. The centering takes place by means of centering sleeve 29 '. A coolant channel 30 passes through the sound transmission body 9 and the clamping screw 29. The interior of the housing, the line 31 and the openings in the disk 19 and in the cover 15, a cooling medium can be supplied.

Die Zufuhr elektrischer Energie zu dem Ultraschallschwingungserreger 25 erfolgt in der dargestellten Weise durch am Deckel 15 angeordnete Schleifringe 35 und an einem nicht mitdrehenden Teil der genannten Einheit angebrachte Schleifringe 36. Figur 6 zeigt die einfachste Form eines Honwerkzeuges 1 als Festdorn mit festen nicht einstellbaren Außenabmessungen. Der Schneidbelag hat dabei die Kontur 40, wie sie im einzelnen in Figur 7 dargestellt ist, nämlich etwa über weniger als 10% seiner Länge eine Einführungszone 37, daran anschließend die bereits erwähnte Schneidzone 6, die sich etwa über etwas weniger als die Hälfte der gesamten Länge des Schneidmittelbelages erstreckt, so wie sich daran anschließend die zylindrische Führungszone 38.The supply of electrical energy to the ultrasonic vibration exciter 25 takes place in the illustrated Way through slip rings 35 arranged on the cover 15 and slip rings 36 attached to a non-rotating part of the mentioned unit. FIG. 6 shows the simplest form of a honing tool 1 as a fixed mandrel with fixed, non-adjustable external dimensions. The cutting surface has the contour 40, as shown in detail in FIG. 7, namely an insertion zone 37 over approximately less than 10% of its length, followed by the cutting zone 6 already mentioned, which is approximately over a little less than half of the total Length of the cutting agent covering extends, as does the cylindrical guide zone 38 thereafter.

Die übliche radiale Aufweitung, wie sie zur Nachstellung von Honwerkzeugen bekannt ist, bereitet im vorliegenden Fall gewisse Schwierigkeiten, da die Gefahr besteht, daß einzelne gegeneinander verstellbare Teile, die nicht in einem Schwingungsknoten liegen, mit der Hochfrequenz aneinander reiben, so daß eine übermäßige Erhitzung auftreten kann. Außerdem muß gewährleistet sein, daß sich trotz der hochfrequenten Schwingung keine Teile lösen. Insofern sind speziell konstruierte Honwerkzeuge vorteilhaft. Ein derartiges Honwerkzeug 100 ist in Figur 8 dargestellt. Dabei ist der Schneidbelag 40, der die Kontur nach Figur 8 hat, auf einem Schaft 101 aufgebracht, der durch ein Aufweitstück 102 elastisch aufweitbar ist. Das ist z.B. dann der Fall, wenn die Ausnehmung 103 im Schaft 101 einerseits und das Aufweitstück 102 andererseits konisch ausgebildet sind, so daß sich bei axialer Verschiebung des Aufweitstückes eine elastische Aufweitung des Schaftes in radialer Richtung ergibt, der jedoch als Vollkörper ohne Nuten und ohne Schlitze ausgebildet ist, um besondere Stabilität zu gewährleisten. Die erforderlichen elastischen radialen Aufweitungen sind auch auf diese Weise erreichbar. In axialer Richtung im Anschluß an das Aufweitstück 102 befindet sich ein Druckstück 104, das in der Ausnehmung 103 auswechselbar eingesetzt ist. Es liegt mit seinem rechten Ende an der Druckfläche 105 des Aufnahmeteils 106 an, der dann seinerseits mit dem rechten Ende in den Werkzeugaufnahmekonus 8 des Schallübertragungskörpers 9 eingesetzt wird. Man kann also den Schneidmittelbelag 40 dadurch elastisch aufweiten, daß man Druckstücke 104 verschiedener Länge einsetzt. Je länger das Druckstück 104 ist, desto stärker wird der Schaft 101 radial aufgeweitet.The usual radial expansion, as is known for the adjustment of honing tools, presents certain difficulties in the present case, since there is a risk that individual parts which are adjustable against one another and which are not in a vibration node rub against one another at high frequency, so that excessive heating occurs can occur. In addition, it must be ensured that no parts come loose despite the high-frequency vibration. In this respect, specially designed honing tools are advantageous. Such a honing tool 100 is shown in FIG. 8. The cutting surface 40, which has the contour according to FIG. 8, is applied to a shaft 101 which can be elastically expanded by means of an expansion piece 102. This is the case, for example, when the recess 103 in the shaft 101, on the one hand, and the expansion piece 102, on the other hand, are conical, so that Axial displacement of the expansion piece results in an elastic expansion of the shaft in the radial direction, which, however, is designed as a solid body without grooves and without slots to ensure particular stability. The required elastic radial widenings can also be achieved in this way. In the axial direction following the expansion piece 102 there is a pressure piece 104, which is interchangeably inserted in the recess 103. It rests with its right end on the pressure surface 105 of the receiving part 106, which in turn is then inserted with the right end into the tool receiving cone 8 of the sound transmission body 9. The cutting agent covering 40 can therefore be elastically expanded by using pressure pieces 104 of different lengths. The longer the pressure piece 104, the more the shaft 101 is expanded radially.

Das Werkzeug 1 führt - vorzugsweise im Resonanzbereich - eine Eigenschwingung aus. Damit ist gemeint, daß das Werkzeug 1 nicht als in sich starres Übertragungselement der hochfrequenten Ultraschall-Schwingung wirkt, sondern vielmehr selbst Medium der Ultraschall-Schwingung, d.h. der durch die Anregung angestoßenen Longitudinal- und Transversalwellen ist. Das bedeutet, wie oben bereits erwähnt, daß das Werkzeug 1 selbst elastische Schwingungen in axialer und radialer Richtung mit der durch die Ultraschall-Schwingung angeregten Eigen-(Resonanz)Frequenz ausführt und dabei seine Kontur periodisch verändert. Um eine günstige Kopplung der Ultraschall-Energie vom Ultraschall-Schwingungserreger 25 in das Werkzeug 1 zu erreichen, muß der Ultraschall-Schwingungserreger 25 eine Frequenz aufweisen, die möglichst gleich der Eigenresonanz des Werkzeuges 1 ist. Wenn die Eigenresonanz des Werkzeugs zu weit von der des anregenden Systems (Schwingungserreger 25, Schallübertragungskörper 9) abweicht, gerät das Werkzeug nicht in Schwingung. Um die Übertragung der Ultraschall-Energie vom Schwingungserreger 25 auf das Werkzeug 1 optimal zu gestalten, muß ferner der Schallwellenwiderstand des Schwingungserregers möglichst gleich dem des Werkzeuges 1 sein.The tool 1 carries out a natural vibration, preferably in the resonance range. This means that the tool 1 does not act as a rigid transmission element of the high-frequency ultrasonic oscillation, but rather is itself the medium of the ultrasonic oscillation, ie the longitudinal and transverse waves triggered by the excitation. As already mentioned above, this means that the tool 1 itself carries out elastic vibrations in the axial and radial directions with the natural (resonance) frequency excited by the ultrasonic vibration and periodically changes its contour. To a cheap coupling of the To reach ultrasound energy from the ultrasound vibration exciter 25 into the tool 1, the ultrasound vibration exciter 25 must have a frequency that is as close as possible to the natural resonance of the tool 1. If the natural resonance of the tool deviates too far from that of the stimulating system (vibration exciter 25, sound transmission body 9), the tool does not vibrate. In order to optimally design the transmission of the ultrasound energy from the vibration exciter 25 to the tool 1, the sound wave resistance of the vibration exciter must also be as equal as possible to that of the tool 1.

Die Eigenfrequenz des Werkzeuges 1 ist durch die Abmessungen (Länge, Durchmesser) den E-Modul des Werkstoffes und die im Werkstoff gegebene Schallgeschwindigkeit bestimmt. Bei Stahl beträgt der E-Modul ca. 21.000 daN/mm² und die Schallgeschwindigkeit 5.960 m/sec. bei 21,7 kHz ergibt dies eine halbe Wellenlänge gleich 187 cm. Dies ist die freie Werkzeuglänge ab Einspannkonus. Wie sich die Eigenschwingung des Werkzeuges 1 geometrisch darstellt, ist in Figur 9 gezeigt. Dabei hat der Durchmesser des Werkzeuges bei (a) seinen größten Wert Dmax, während die Länge L den Mindestwert Lmin hat. Bei (b), dem Nulldurchgang der Schwingung in Längsrichtung, ergibt sich der mittlere Durchmesser D₀ und die mittlere Länge L₀. Bei (c), ergibt sich der Mindestdurchmesser Dmin und die maximale Länge Lmax. In Figur 9 sind die einzelnen Amplituden den Situationen nach (a), (b) und (c) zugeordnet.The natural frequency of the tool 1 is determined by the dimensions (length, diameter), the modulus of elasticity of the material and the speed of sound given in the material. For steel, the modulus of elasticity is approx. 21,000 daN / mm² and the speed of sound is 5,960 m / sec. at 21.7 kHz, this gives half a wavelength equal to 187 cm. This is the free tool length from the clamping cone. FIG. 9 shows how the natural vibration of the tool 1 is represented geometrically. The diameter of the tool at (a) has its greatest value D max , while the length L has the minimum value L min . At (b), the zero crossing of the vibration in the longitudinal direction, the average diameter D₀ and the average length L₀ result. At (c), the minimum diameter D min and the maximum length L max . In Figure 9, the individual amplitudes are assigned to the situations according to (a), (b) and (c).

Wie bei (a) in Figur 9 eingezeichnet, ergibt sich in der Tat für jedes Korn des Schneidmittelbelages 40 sowohl eine Bewegungskomponente 32 in axialer Richtung als auch eine Bewegungskomponente 33 in radialer Richtung. Beide Komponenten unterliegen der Eigenfrequenz.As shown in (a) in FIG. 9, there is indeed a movement component 32 in the axial direction and a movement component 33 in the radial direction for each grain of the cutting agent covering 40. Both components are subject to the natural frequency.

Die Bewegungskomponente 33 in radialer Richtung ist die Ursache dafür, daß während des Umlaufes eines Schleifmittelkorns des Schneidmittelbelages 40 einzelne kleine Taschen in radialer Richtung in die Innenfläche der bearbeiteten Bohrungen eingebracht werden.The movement component 33 in the radial direction is the reason why 40 small individual pockets are introduced in the radial direction into the inner surface of the machined bores during the circulation of an abrasive grain of the cutting agent coating.

Figur 10 zeigt als Fotografie - da nicht anders darstellbar - diese neuartige Oberfläche, wobei, um den Maßstab zu verdeutlichen, eine Strecke, die in der Realität 30 µm entspricht, in der Fotografie eingezeichnet ist. Es zeigt sich nun überraschenderweise, daß entlang der beim klassischen Honen das Kreuzschliffmuster ergebenden zueinander schräggestellten Riefen praktisch durch die überlagerte hochfrequente Schwingung mit radialer und axialer Komponente in kurzen Abständen Mulden oder Taschen entstehen, die während des Umlaufes praktisch "eingehämmert" oder "eingemeißelt" werden, wobei - wie aus dieser Fotografie ohne weiteres erkennbar - zwischen den Mulden gratfreie ebene tragende Bereiche entstehen, die andere Bauteile tragen können. Die Taschen oder Mulden dienen in den Innenflächen der Bohrungen als Ölreservoir für Schmiermittel. Dies ist insbesondere dann von größter Bedeutung, wenn ansonsten eine Oberfläche mit extrem guter Qualität erzielt ist. Das Material wird gleichmäßig abgetragen und es entsteht ein entsprechend der Kinematik periodisches Oberflächenmuster. Es ist selbstverständlich stark abhängig von eingestellten Parametern. Bei einer kleinen Drehzahl liegen z.B. die durch die hochfrequente Oszillation erzeugten Schnittspuren sehr dicht beieinander. Bei einer hohen Drehzahl sind diese Schnittspuren entsprechend gestreckt und ergeben einen etwas ungünstigeren Traganteil. Der Traganteil lag bei einer Versuchsserie in ca. 0,2 µm Schnitttiefe bei ca. 30%.Figure 10 shows, as a photograph - since it cannot be represented otherwise - this novel surface, a distance, which in reality corresponds to 30 µm, is shown in the photograph to clarify the scale. It has now surprisingly been found that along the oblique grooves which result in the cross-grinding pattern during classic honing, troughs or pockets, which are practically "hammered" or "chiseled in" during the circulation, practically arise at short intervals due to the superimposed high-frequency vibration with radial and axial components , whereby - as can easily be seen from this photograph - burr-free, flat load-bearing areas are created between the troughs, which other components can carry. The pockets or depressions serve as an oil reservoir for lubricants in the inner surfaces of the bores. This is especially so of the utmost importance if otherwise a surface of extremely good quality is achieved. The material is removed evenly and a surface pattern is created that is periodic in accordance with the kinematics. It is of course heavily dependent on the set parameters. At a low speed, for example, the cutting tracks created by the high-frequency oscillation are very close together. At a high speed, these cutting marks are stretched accordingly and result in a somewhat less favorable bearing component. The load share was approximately 30% in a test series with a cutting depth of approx. 0.2 µm.

Die neue Oberfläche ergibt eine extreme Verbesserung der Trageigenschaften. Bearbeitet man z.B. eine bestimmte Bohrung in zwei Bearbeitungsstufen mit Körnungen D46 und D15 (nach der FEPA-Definition; vgl. VDI-Richtlinien VDI 3394 vom Juni 1980), so sind bzgl. der Bohrungsgeometrie (Geradheit, Rundheit) Werte unter 0,5 µm erreichbar. Dies erfolgte versuchsweise bei Werkstücken, die auf den Durchmesser von 6,955 bis 6,965 mm konventionell vorgehont waren und in zwei weiteren Bearbeitungsschritten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren fertig bearbeitet wurden. Die Oberflächenrauhigkeit lag zu Beginn bei 0,7 µm Rz und konnte mit zunehmender Stückzahl auf unter 0,4 µm Rz verbessert werden. Dabei wurde als Korn Diamant verwendet.The new surface results in an extreme improvement of the wearing properties. If, for example, a specific bore is machined in two machining stages with grit D46 and D15 (according to the FEPA definition; see VDI guidelines VDI 3394 from June 1980), the bore geometry (straightness, roundness) is less than 0.5 µm reachable. This was carried out on a trial basis for workpieces which were conventionally pre-honed to a diameter of 6.955 to 6.965 mm and were finished in two further processing steps using the method according to the invention. The surface roughness was initially 0.7 µm R z and could be improved to less than 0.4 µm R z with increasing numbers. Diamond was used as the grain.

Infrage kommen generell superabrasive Werkstoffe, also neben Diamant kubisches Bortnitrid (CBN), evtl. bei Bohrungen aus weichem Material (z.B. Alu) auch Rubin, Saphir, Korund.In general, superabrasive materials are considered, in addition to Diamond cubic boron nitride (CBN), possibly for bores made of soft material (e.g. aluminum) also ruby, sapphire, corundum.

Von besonderer Bedeutung für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die auftretenden Bearbeitungskräfte. Bei einer Zugabe von 10 µm (Differenz des Durchmessers der unbearbeitetenden Bohrung gegenüber dem durch die Bearbeitung angestrebten Endmaß) unter Verwendung des Festdornes mit der Körnung D46 wurde eine Axialkraft von 1,0 N und ein Drehmoment von 1,120 Ncm festgestellt. Ein direkter Vergleich mit einer Bearbeitung, bei der dasselbe Werkzeug ohne Hochfrequenzbeaufschlagung eingesetzt worden wäre, war nicht möglich, da ohne die hochfrequente Oszillation eine Zugabe von mehr als 4 µm nicht zu erreichen ist. Möchte man mehr Material mit einem Hub ohne HF-Oszillation abtragen, so frißt sich das Werkzeug fest. Aber selbst bei einer Zugabe von 4 µm ohne hochfrequente Oszillation, also mit einer um mehr als 50% reduzierten Zugabe, betrug die Axialkraft immer noch 2,4 N und das Drehmoment 1,3 Ncm. Man kann also davon ausgehen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das 2- bis 3-fache der Zugabe in einem Doppelhub abgetragen werden kann, und dabei Axialkraft und Drehmoment noch geringer sind als bei herkömmlichen Verfahren.The machining forces that occur are of particular importance for the application of the method according to the invention. When adding 10 µm (difference in the diameter of the unfinished bore compared to the final dimension desired by machining) using the fixed mandrel with the D46 grit, an axial force of 1.0 N and a torque of 1.120 Ncm were determined. A direct comparison with a machining process in which the same tool would have been used without high-frequency exposure was not possible, since it would not be possible to add more than 4 µm without the high-frequency oscillation. If you want to remove more material with one stroke without HF oscillation, the tool seizes up. But even with an addition of 4 µm without high-frequency oscillation, i.e. with an addition reduced by more than 50%, the axial force was still 2.4 N and the torque 1.3 Ncm. It can therefore be assumed that the process according to the invention can remove 2 to 3 times the addition in a double stroke, and that the axial force and torque are even lower than in conventional processes.

Daraus folgt auch, daß mit dem hier beschriebenen Verfahren eine nur sehr geringe Gratbildung verursacht wird. Bei versuchsweise bearbeiteten Werkstücken war, wie aus Figur 10 deutlich zu ersehen, überhaupt keine Gratbildung festzustellen.It also follows that the method described here causes very little burr formation. In the case of workpieces machined on a trial basis, as in FIG clearly visible, no burr formation at all.

Figur 11 zeigt schließlich die Honzugabe dz (in Mikrometer) in Abhängigkeit von der Körnung k (nach der FEPA-Definition) im Vergleich zwischen dem - bekannten - Dornhonen (unterer von einer Körnung D15 bis D181 leicht ansteigender Balken) im Vergleich zu dem Hochfrequenzhonen (schwarz ausgefüllter Bereich). Beim Werkstück handelte es sich um gehärteten Stahl mit einer Härte von mehr als 60 HRc.FIG. 11 finally shows the honing addition dz (in micrometers) as a function of the grain k (according to the FEPA definition) in the comparison between the - known - mandrel honing (lower bar with a grain size D15 to D181) compared to the high-frequency honing ( black filled area). The workpiece was hardened steel with a hardness of more than 60 HRc.

Die Schwingungsverhältnisse über der Länge des Werkzeuges 1 ergeben sich aus Figur 12 für den Fall, daß die Länge des Werkzeuges 1 gleich der halben Wellenlänge der Ultraschall-Schwingung ist. Generell ist Voraussetzung für das Entstehen einer Eigenschwingung, daß die Länge des Werkzeuges 1 vom Einspannkonus her, der in der "Fesselungsebene" liegt, ein ganz zahlreiches Vielfaches (einschl. des 1-fachen) der halben Wellenlänge ist. In diesem Fall ist links vom Werkzeug die Schwingung in radialer Richtung, die Komponente 33, und rechts die Schwingung in axialer Richtung, die Komponente 32 eingegeben und zur Länge des Werkstückes 1 in Beziehung gesetzt.The vibration ratios over the length of the tool 1 result from FIG. 12 in the event that the length of the tool 1 is equal to half the wavelength of the ultrasonic vibration. In general, a prerequisite for the occurrence of a natural vibration is that the length of the tool 1 from the clamping cone, which lies in the "restraining plane", is a very large multiple (including 1 times) of half the wavelength. In this case, the vibration in the radial direction, the component 33, and the vibration in the axial direction, the component 32, are entered to the left of the tool and related to the length of the workpiece 1.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung ergibt sich aus Figur 13. Diese Darstellung entspricht im wesentlichen Figur 9, jedoch mit dem Unterschied, daß die Form des Werkzeuges im Ruhezustand (Nulldurchgang (b)) nicht zylindrisch, sondern mit konvexer Kontur versehen ist. Daraus folgt dann, daß sich im Zustand in größter radialer Aufweitung nach (a), d.h. bei Dmax und Lmin eine zylindrische Form des Werkzeuges ergibt.A particularly advantageous embodiment of the invention results from FIG. 13. This representation corresponds essentially to FIG. 9, but with the difference that the shape the tool in the idle state (zero crossing (b)) is not cylindrical, but has a convex contour. It then follows that in the state in the greatest radial expansion according to (a), ie at D max and L min, the tool has a cylindrical shape.

Die Zugabe des Durchmessers hängt von der Eingangsamplitude ab. Mit Änderung der Amplitude der Ultraschall-Schwingung, durch die die Eigenschwingung des Werkzeuges 1 angeregt wird, läßt sich also auch die Amplitude der axialen Schwingungskomponente 33 und somit auch Dmax einstellen. Durch diese Paramter wird auch die Qualität der bearbeiteten Bohrung direkt beeinflußt. Die Rauhtiefe RZ sinkt in im wesentlichen linearer Abhängigkeit von Amplitude und Frequenz.The addition of the diameter depends on the input amplitude. With a change in the amplitude of the ultrasonic vibration, by which the natural vibration of the tool 1 is excited, the amplitude of the axial vibration component 33 and thus also D max can also be set. These parameters also directly influence the quality of the machined hole. The roughness depth R Z decreases in an essentially linear dependence on the amplitude and frequency.

Claims (15)

  1. Process for machining the inner surfaces of bores in workpieces, in which a tool provided with an abrasive coating simultaneously carries out a rotary movement (2), an axial reciprocal movement (3) and furthermore ultrasonic oscillation superimposed upon the said movements (2, 3), characterised in that the ultrasound excites natural oscillation of the tool (1) in the range of 16-40 kHz and that the free length of the tool (1) from the point at which it is clamped on to a sound transmission element (9) is an integral multiple of half the wavelength of the natural oscillation of the tool.
  2. Process according to claim 1, characterised in that the contour of the tool (1) is determined in such a manner that the shape of the tool (1) with a maximum amplitude (Dmax) of the radial component (33) of the natural oscillation of the tool (1) is cylindrical.
  3. Process according to claim 1 or claim 2, characterised in that the ultrasonic oscillation by the oscillation exciter (25) acts on the tool (1) in the axial direction of the bore.
  4. Process according to claim 1 or one of the following claims, characterised in that machining is effected in only one double stroke and that the honing tool is provided in the manner known per se with a conical cutting zone (6), the rear larger diameter (D₁) of which in the direction of the axial reciprocal movement (3) has an oversize of more than 4 µm compared to the diameter of the unmachined bore.
  5. Process according to claim 3, characterised in that the exciting ultrasonic oscillation has a frequency of 20 to 24 kHz.
  6. Process according to claim 1 or one of the following claims, characterised in that the frequency of the exciting ultrasonic oscillation is essentially equal to the natural frequency of the tool (1).
  7. Process according to claim 1, characterised in that an abrasive agent (lapping abrasive) is added in suspension to the coolant used.
  8. Process according to claim 1 or one of the following claims, characterised in that, in order to obtain a spark-out effect, the speed of rotation of the honing tool, the feed of the honing tool in the axial direction (reciprocation speed), and the amplitude and frequency of the ultrasonic oscillation of the honing tool are determined in such a manner that the surfaces coated with the abrasive grit during an ultrasonic stroke are partially coated once again during the subsequent ultrasonic stroke in the opposite direction.
  9. Process according to claim 1 or one of the following claims, characterised by the use of super-abrasive grit.
  10. Device for carrying out the process according to claim 1 or one of the following claims, with a honing tool for machining the inner surfaces of bores, the honing tool (1, 100) being accommodated in the lower end (8) of a sound transmission element (9) acted upon from above by an ultrasonic oscillation exciter (25), characterised in that the free length of the tool (1) from the point at which it is clamped on to a sound transmission element (9) is an integral multiple of half the wavelength of the natural oscillation of the tool, and that the sound transmission element is suspended in a housing at least in a plane situated in the nodal region of the ultrasonic oscillation by fixing means (10′, 11′) in such a manner that it (9) can carry out ultrasonic oscillation relative to the housing (12), while the housing does not take part in the oscillation, that the housing (12) is driven in rotation (20, 21) and that the unit for producing the axial reciprocal movement formed by the housing (12), the sound transmission element (9), the honing tool (1, 100) and the rotary actuator (20, 21) is vertically adjustable in a manner known per se.
  11. Device according to claim 10, characterised in that electrical energy is supplied to the ultrasonic oscillation exciter (25) via slip rings (35, 36).
  12. Device according to claim 10, characterised in that the ultrasonic oscillation exciter (25) is fixed to the upper end of the sound transmission element (9) by oscillator crystals.
  13. Process according to one of claims 1 to 9 using a honing tool, characterised in that the cutting coating (40) is applied to a shank (101) which can be expanded elastically by an expansion piece (102) which can be inserted into a recess (103) in the shank (101), and that an exchangeable thrust piece (104) acting on the expansion piece (102) in the axial direction is accommodated in the recess (103) and the shank (101) is screwed on to a receiving part (106) in such a manner that a contact surface (105) of the receiving part presses the thrust piece and the expansion piece firmly against the inner surface of the shank in a position resulting in the desired expansion of the shank as a function of the length of the thrust piece.
  14. Process according to claim 13, characterised in that the receiving part is screwed on to the shank in the region of an oscillation node.
  15. Process according to claim 13, characterised in that the shank is an unslotted solid body.
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