EP1815944A1

EP1815944A1 - Verfahren zum Honen von Bohrungen sowie Honmaschine hierfür

Info

Publication number: EP1815944A1
Application number: EP07002277A
Authority: EP
Inventors: Wolf Nagel; Uwe-Peter-Dr. Weigmann
Original assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2027-02-02
Also published as: EP1815944B1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Honen der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Honen einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Zylinderblöcken für Brennkraftmaschinen, wird ein Honwerkzeug innerhalb der Bohrung bewegt wird und eine an dem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper wird zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt. Es wird eine Schwingungsbewegung der Schneidgruppe im Wesentlichen parallel zur Innenfläche nach Maßgabe mindestens eines Schwingungsparameters derart erzeugt, dass ein wesentlicher Anteil des Materialabtrages aus der Schwingungsbewegung resultiert. Vorzugsweise wird auch eine der Schwingungsbewegung überlagerten Verschiebungsbewegung der Schneidgruppe entlang der Innenfläche nach Maßgabe mindestens eines Verschiebungsparameters erzeugt. Durch Steuerung der Schwingungsbewegung und ggf. der Verschiebungsbewegung kann auch bei konstant gehaltener Zustellkraft ein über die Innenfläche lokal variierender Materialabtrag an der Innenfläche erreicht werden, um eine vorgegebene Sollform der Bohrung zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Honen der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Honen einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen, sowie eine Honmaschine, die besonders zur Durchführung des Verfahrens geeignet und ausgestaltet ist.
Bei der Herstellung von Zylinderblöcken von Brennkraftmaschinen werden die Zylinderlaufflächen üblicherweise durch ein Honverfahren endbearbeitet. Beim Einsatz des Endbearbeitungsverfahrens Honen werden oft erhebliche Anstrengungen unternommen, um die geforderte Bauteilform mit einem möglichst geringen Formfehler zu erzielen.
Auch wenn unmittelbar im Anschluss an die Bearbeitung keine Formfehler vorhanden sind, geht oftmals nach der Montage oder im Betrieb des bearbeiteten Werkstücks die einsatzoptimale Bauteilgeometrie durch elastische und thermische Deformationen verloren. Beispielsweise ist es bekannt, dass die Montage des Zylinderkopfes auf einem Zylinderblock (Motorblock) zu einer nicht zu vernachlässigenden Deformation der Zylinderbohrungen vor allem im Bereich der Zylinderkopfschrauben führen kann. Während des Motorenbetriebes sollten jedoch die Kolbenringe, die durch die mechanische Deformation, aber auch durch thermische Deformationen verzogene Zylinderbohrung so ausfüllen, dass eine saubere Abdichtung des Brennraumes im Motorenbetrieb gewährleistet ist. Eine vollständige Anlage der Kolbenringe an der Zylinderbohrung mit einem möglichst gleichmäßigen und geringen Spiel zwischen Kolbenring und Zylinderinnenwand wird erleichtert, wenn der montierte und betriebswarme Motor Zylinderbohrungen mit geringem Zylinderformfehler besitzt. Bei zu großen Werten des Zylinderformfehlers ist die saubere Abdichtung durch die Kolbenringe nicht mehr gewährleistet, der Partikelausstoß des Motors steigt, der Wirkungsgrad vermindert sich, und die Lebensdauer des Systems kann sich verkürzen.
Zur Vermeidung derartiger Probleme ist in der DE 28 10 322 C2 vorgeschlagen worden, die Verschlechterung der Zylinderform der Zylinderbohrungen bei der Montage des Zylinderkopfes dadurch zu vermeiden, dass der Motorblock für die Honbearbeitung mit Hilfe einer Spaneinrichtung deformiert wird, die die spätere Deformation durch den Zylinderkopf simuliert. In dem verspannten Zustand, der dem später bei der Montage vorliegendem Zustand entspricht, findet die Honbearbeitung statt, danach wird die Verspannung wieder gelöst. Ein ähnlicher Vorschlag ist in der JP 11-267960 beschrieben.
Um zusätzlich die Verformung durch Temperatureinwirkung zu simulieren, ist es außerdem bekannt, das Werkstück mittels heißem Honöl aufzuheizen. Diese Verfahren sind jedoch aufwändig und teuer und mit hohen Sicherheitsrisiken für die Maschinenbediener verbunden. Sie werden daher nur für die Einzelfertigung, nicht jedoch in der Serienfertigung eingesetzt.
Die europäische Patentanmeldung EP 1 321 229 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Bohrung, die in unbelastetem Zustand eine Ausgangsform aufweist und im Betriebszustand eine von der Ausgangsform abweichende Sollform. Das Verfahren umfasst die Ermittlung der Verformung einer Bohrung mit Sollform im Betriebszustand. Mittels der Sollform und der ermittelten Verformung wird die Ausgangsform ermittelt und die Bohrung wird durch ein Bearbeitungsverfahren in die Ausgangsform gebracht. Die nach dem Verfahren hergestellte Ausgangsform soll im Betriebszustand die gewünschte Sollform annehmen. Das Bearbeitungsverfahren zur Herstellung der Ausgangsform ist ein Honverfahren, bei dem der Zustelldruck mindestens eines an einem Honwerkzeug angebrachten Honsteins während der Bearbeitungszeit variiert wird.
In der Dissertationsschrift "Variables Formhonen durch rechnergestützte Honprozesssteuerung" von R. Zurrin, veröffentlicht in: wbk - Forschungsberichte aus dem Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik der Universität Karlsruhe, Band 26 (1990) wird vorgeschlagen, die beschriebenen Probleme durch das Fertigungsverfahren "Formhonen" zu beheben. Darunter wird in dieser Schrift ein Honen mit gesteuerter Vorschubbewegung verstanden, das es erlaubt, örtlich (hub- und winkellagenabhängig) verschiedene Abtragsraten während des Honprozesses zu erreichen, um eine Negativform der Verformungen mit einer definierten Oberfläche zu erzeugen (vergleiche insbesondere Seiten 10 bis 20) Das Formhonen wird am Beispiel von verformten Zylinderblöcken erläutert, bei denen die Zylinderbohrungen eine vierfachsymmetrische Unrundheit vierter Ordnung, d.h. eine Bohrungsform mit 4-zähliger Radialsymmetrie bezogen auf die Bohrungsachse, haben. Diese unrunde Bohrungsform wird durch Steuerung der Zustellkraft beziehungsweise des Anpressdruckes eines einfach aufweitenden Honwerkzeuges über den Hub und den Drehwinkel erreicht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Honen der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück bereitzustellen, das es ermöglicht, Bohrungen zu erzeugen, die auch bei starken Abweichungen von einer kreiszylindrischen Form eine gleichmäßige Oberflächenstruktur haben. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Honmaschine bereitzustellen.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, sowie eine Honmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 19 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Honen der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Honen einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Zylinderblöcken für Brennkraftmaschinen, wird ein Honwerkzeug innerhalb der Bohrung bewegt und mindestens eine an dem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche wird mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt. Erfindungsgemäß wird eine Schwingungsbewegung der Schneidgruppe im wesentlichen parallel zur Innenfläche nach Maßgabe mindestens eines Schwingungsparameters derart erzeugt, dass ein wesentlicher Anteil eines durch die Schneidgruppe verursachten Materialabtrages aus der Schwingungsbewegung der Schneidgruppe resultiert. Weiterhin erfolgt eine Steuerung der Schwingungsbewegung zur Erzeugung eines über die Innenfläche lokal variierenden Materialabtrags an der Innenfläche zur Erzeugung einer vorgegebenen Sollform der Bohrung.
Bei den meisten herkömmlichen Honverfahren resultiert der überwiegende Anteil des Materialabtrages aus der kontinuierlichen Rotationsbewegung des Honwerkzeuges, die häufig mit relativ hohen Drehzahlen erfolgt. Bei erfindungsgemäßen Verfahren resultiert demgegenüber ein wesentlicher Anteil der für den Materialabtrag maßgeblichen Schnittgeschwindigkeit aus der Schwingungsbewegung der Schneidgruppe, so dass der Materialabtrag zu einem großen Anteil oder überwiegend aus durch die Oszillationsbewegung der Schneidgruppe verursacht wird.
Bei manchen Verfahrensvarianten erzeugt die Schwingungsbewegung zumindest während eines gewissen Bearbeitungszeitintervalls ausschließlich eine in Umfangsrichtung der Bohrung gerichtete Bewegungskomponente der Schneidgruppe. Hierzu oszilliert das Honwerkzeug innerhalb des Bearbeitungszeitintervalls um seine Werkzeugachse, ohne dass ein axialer Vorschub oder eine axiale Schwingungskomponente vorliegt. Bei anderen Verfahrensvarianten erzeugt die Schwingungsbewegung zumindest während eines Bearbeitungszeitintervalls ausschließlich eine in Axialrichtung der Bohrung gerichtete Bewegungskomponente. Während dieses Bearbeitungszeitintervalls findet somit keine Rotation des Honwerkzeuges um seine Werkzeugachse statt. In vielen Fällen kann es zweckmäßig sein, wenn die Schwingungsbewegung sowohl eine in Umfangsrichtung der Bohrung gerichtete Bewegungskomponente, als auch eine in Axialrichtung der Bohrung gerichtete Bewegungskomponente hat, so dass man insoweit von einer Überlagerung von zwei Schwingungsbewegungen (axial und tangential) reden kann.
Soweit die Schwingungsbewegung eine in Axalrichtung der Bohrung gerichtete Komponente hat, ist der axiale Hub der Schwingungsbewegung vorzugsweise kleiner als die axiale Länge der Bohrung. Sofern die Schwingungsbewegung eine in Umfangsrichtungrichtung der Bohrung gerichtete Komponente hat, ist die Winkelamplitude der Schwingungsbewegung vorzugsweise kleiner als 180°.
Die Schwingungsbewegung kann so erzeugt werden, dass sie eine zeitlich konstante Schwingungsamplitude hat. In diesem Fall verändert sich die Auslenkung der Schneidgruppe relativ zur Null-Lage der Schwingungsbewegung nicht oder nicht wesentlich. Bei anderen Ausführungsformen wird die Schwingungsbewegung derart erzeugt, dass die Schwingungsbewegung innerhalb eines Änderungszeitintervalls eine zeitlich veränderliche Schwingungsamplitude hat. Innerhalb eines Honprozesses können Phasen mit veränderlicher Schwingungsamplitude und Phasen mit konstanter Schwingungsamplitude zeitlich versetzt vorkommen.
Der Begriff "Schwingungsbewegung" steht hier für eine sich periodisch ändernde Bewegungskomponente der Schneidgruppe, welcher eine Schwingungsfrequenz zugeordnet werden kann. Bei bevorzugten Ausführungsformen hat die Schwingungsbewegung eine Schwingungsfrequenz von mindestens 1 Hz, wobei die Schwingungsfrequenz vorzugsweise zwischen 2 Hz und 30 Hz liegt. Häufig sind Schwingungsfrequenzen zwischen ca. 2 Hz und ca. 10 Hz bis 20 Hz sinnvoll.
Die Arbeitsbewegung des Honwerkzeuges bzw. der mindestens einen daran angebrachten Schneidgruppe kann bei manchen Ausführungsformen ausschließlich aus einer Schwingungsbewegung oder aus einer einer Überlagerung von mehreren Schwingungsbewegungen bestehen. In diesem Fall findet ein Materialabtrag hauptsächlich in dem Bereich um die durch die Schwingungsbewegung definierten Null-Lagen der Schwingungsbewegungen statt. Dies kann beispielsweise bei der Bearbeitung von Bohrungen sinnvoll sein, deren zu bearbeitende Bohrungslänge kleiner als die wirksame Länge des Honwerkzeuges ist oder dieser Länge im Wesentlichen entspricht. Diese Verfahrensvariante kann auch sinnvoll sein, wenn z.B. innerhalb einer axial langen Bohrung nur ein vergleichsweise kurzer Axialbereich bearbeitet werden soll.
Bei manchen Ausführungsformen wird zusätzlich zu der mindestens einen Schwingungsbewegung eine der Schwingungsbewegung überlagerte Verschiebungsbewegung der Schneidgruppe entlang der Innenfläche nach Maßgabe mindestens eines Verschiebungsparameters erzeugt und die Verschiebungsbewegung wird so gesteuert, dass in Verbindung mit der überlagerten Schwingungsbewegung der über die Innenfläche lokal variierende Materialabtrag erzielt wird. Typischerweise ist eine durch die Verschiebungsbewegung resultierende Bewegungskomponente deutlich langsamer als die aus der Schwingungsbewegung resultierende Bewegungskomponente. Vorzugsweise ist die Verschiebungsbewegung aperiodisch und/oder die Verschiebungsbewegung hat eine im Vergleich zur Schwingungsbewegung sehr langsame Veränderung der Verschiebungsrichtung und/oder der Verschiebungsgeschwindigkeit. Es ist jedoch auch möglich, ohne Verschiebung zu arbeiten. Die optionale Verschiebungsbewegung kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die zu bearbeitende Länge der Bohrung deutlich größer ist als die wirksame Länge eines Honwerkzeuges.
Die Verschiebungsbewegung kann ausschließlich eine in Umfangsrichtung der Bohrung gerichtete Bewegungskomponente oder ausschließlich eine in Axialrichtung der Bohrung gerichtete Bewegungskomponente haben. Es sind auch Überlagerungen dieser beiden Bewegungen möglich, so dass z.B. eine resultierende Verschiebungsrichtung wendelförmig innerhalb der Bohrung verlaufen kann.
Die Gesamtbewegung der oszillierenden Schneidgruppen kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass sich das Honwerkzeug langsam in der Bohrung dreht, während dieser langsamen Verschiebung in Umfangsrichtung eine demgegenüber deutlich schnellere Schwingungsbewegung in Axialrichtung und/oder in Umfangsrichtung überlagert ist. In diesem Fall kann der Nullpunkt der Oszillationsbewegung langsam mit gleichmäßiger oder veränderlicher Drehgeschwindigkeit rotieren. Es ist auch eine relativ langsame Verschiebungsbewegung in Axialrichtung mit kontinuierlicher oder diskontinuierlich variierender Vorschubgeschwindigkeit möglich, der eine deutlich schnellere Schwingungsbewegung in Umfangsrichtung und/oder Axialrichtung überlagert ist. Bei manchen Verfahrensvarianten führt das Honwerkzeug keine kontinuierliche Rotation aus, so dass die Schwingungsbewegung bezogen auf die Umfangsrichtung um eine feste Null-Lage erfolgt.
Bei manchen Verfahrensvarianten wird die Hubgeschwindigkeit als Funktion der Hublage gesteuert. Alternativ oder zusätzlich kann die Drehgeschwindigkeit als Funktion der Drehlage bzw. Winkellage gesteuert werden. In diesen Fällen wird ein eindeutiger Bezug zwischen einem bestimmten ortlichen Bereich der Bohrung und dem an diesem Bereich zu erzeugenden Materialabtrag hergestellt. Dadurch sind auch von einer Zylinderform komplex abweichende Formen erzeugbar.
Die Schwingungsbewegung bzw. Oszillationsbewegung der Schneidgruppe kann bezüglich der Schwingungsamplitude, der Schwingungsfrequenz und/oder der Schwingungsrichtung den Erfordernissen angepasst werden. Die Verschiebungsbewegung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich (d.h. mit Pausen) gesteuert werden, wobei als Verschiebungsparameter insbesondere die Verschiebungsrichtung und/oder die Verschiebungsgeschwindigkeit gesteuert werden. Die Verschiebungsbewegung wird normalerweise so gesteuert, dass jeder Bereich der Innenfläche durch mindestens einen Schneidstoffkörper einer Schneidgruppe erreicht und materialabtragend bearbeitet wird, so dass flächendeckend ein Materialabtrag erzielt werden kann. Es ist auch möglich, nur Teilbereiche der Innenfläche mit Hilfe des Verfahrens zu bearbeiten.
Wenn die Schwingungsbewegung so erzeugt wird, dass ihre Schwingungsamplitude sich innerhalb eines vorgebbaren Bearbeitungszeitintervalls in definierter Weise ändert, ist es möglich, in vorgegebenen Bereichen der Bohrung oder an der gesamten Bohrung durch lokal erhöhten Materialabtrag gezielt Ausbeulungen zu erzeugen, die sich ohne zwischenliegenden Kanten kontinuierlich an benachbarte Bohrungsbereiche ohne Ausbeulung anschließen. Auf diese Weise können Bohrungen erzeugt werden, deren Innenflächen in Umfangsrichtung gezielt kontinuierlich variierende Krümmungsradien und/oder in Axialrichtung gezielt kontinuierlich variierende Durchmesser haben.
Da mit Hilfe des Verfahrens gezielt ein ortsabhängig variierender Materialabtrag an der Innenfläche erreicht werden kann, ist das Verfahren besonders dafür geeignet, nicht-kreiszylindrische Sollformen zu erzeugen, deren Formabweichungen von einer ideal kreiszylindrischen Form deutlich außerhalb der üblichen, bei den hier betrachteten Honverfahren geltenden Toleranzen des Zylindrizitätsfehlers liegen, der in vielen Fällen bei weniger als 10 µm liegen sollte. Bei bevorzugten Varianten entsprechen die Formabweichungen einem Zylindrizitätsfehler von deutlich mehr als 10 µm, wobei der Zylindrizitätsfehler vorzugsweise bei mehr als 20 µm, insbesondere zwischen 20 µm und ca. 60 µm liegt.
Der Zylindrizitätsfehler wird hier durch die Zylinderformtoleranz beschrieben. Die zugehörige Toleranzzone wird durch zwei zur Bohrungsachse und zueinander koaxiale, die Bohrungsinnenwand innen oder außen berührende Zylinder bestimmt, wobei der Radialabstand zwischen den beiden Zylindern ein Maß für die Zylindergüte darstellt. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird der Zylindrizitätsfehler ΔZ definiert als ΔZ=(D_A-D_I)/2, wobei D_A der Durchmesser des die Bohrungsinnenwand außen berührenden Zylinders und D_I der Durchmesser des die Bohrungswand innen berührenden Zylinders ist.
Ein Anwendungsfall der Bearbeitung mit veränderlicher Schwingungsamplitude ist die Erzeugung von Bohrungen mit ovaler Bohrungsform, d.h. mit elliptischem Querschnitt, bei denen die Bohrungsdurchmesser in zwei senkrecht zueinander liegenden Richtungen deutlich voneinander abweichen. Solche ovalen Grundformen unrunder Bohrungen sind beispielsweise manchmal in Pleuelaugen von Pleueln für Brennkraftmaschinen gewünscht. Ein anderer Anwendungsfall betrifft die Bearbeitung von Zylinderbohrungen von Brennkraftmaschinen, wo in manchen Fällen in der Nähe der zylinderkopfseitigen Eintrittsseite der Bohrung eine nicht-kreiszylindrische Querschnittsform mit annähernd 2-zähliger Radialsymmetrie und vier jeweils um 90° umfangsversetzten Ausbeulungen der Bohrungsinnenwand (Unrundheit 4. Ordnung) vorteilhaft sein kann.
Es ist jedoch auch möglich, mit Hilfe des Verfahrens Zylindrizitätsfehler von Bohrungen auszugleichen, um auf diese Weise beispielsweise eine der idealen Zylinderform angenäherte Zylinderform mit einem Zylindrizitätsfehler von 10 µm oder weniger zu erzielen.
Das Verfahren ermöglicht es, den Materialabtrag im wesentlichen über den Schwingungsparameter und ggf. den Verschiebungsparameter zu steuern, so dass auf eine Variation der Zustellkraft bzw. des Anpressdruckes der Schneidgruppe verzichtet werden kann. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Schneidgruppe mit einer im wesentlichen konstanten Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt. In diesem Fall werden Schneidstoffkörper somit mit im wesentlichen konstanter Flächenpressung angepresst, so dass die Eindringtiefe der Schneidkörner und damit die beim Materialabtrag erzeugte Oberflächenrauheit weitgehend konstant sind. Bei derart bearbeiteten Oberflächen ist somit die durch Rauheitsparameter beschreibbare Oberflächentopographie weitgehend unabhängig von der Makroform der Bohrung. Daher kann auch bei signifikanten Formabweichungen von einer kreiszylindrischen Form ein gleichmäßiges Rauheitsprofil an der Bohrung erzeugt werden.
Bei anderen Verfahrensvarianten ist vorgesehen, zusätzlich zur Schwingungsbewegung und ggf. zur Verschiebungsbewegung auch den Zustelldruck variabel zu verändern, um die gewünschte Ortsverteilung des Materialabtrages zu erzielen und/oder um gegebenenfalls lokal unterschiedliche Oberflächenrauheiten zu erzeugen. Die Zustellkraft kann hierzu zB. als Funktion der Hublage und/oder der Drehlage der Verschiebungsbewegung gesteuert werden.
Bei einer Ausführungsform wird eine Schwingungsbewegung mit veränderlicher oder konstanter Schwingungsamplitude erzeugt und die Steuerung der Verschiebungsbewegung wird in Abhängigkeit von der Sollform durchgeführt. Auf diese Weise kann für jeden lokalen Bereich der Innenfläche eine Gesamt-Überlaufzeit (Gesamt-Bearbeitungszeit bzw. Gesamt-Wirkzeit) eingestellt werden, die im Wesentlichen proportional zu dem für den Bereich vorgesehenen lokalen Materialabtrag ist. So lässt sich durch die Veränderung der Vorschubgeschwindigkeit lokal in der Bohrung eine unterschiedliche Werkstoffabtrennung erreichen. In Bereichen mit geforderter starker Werkstoffabtrennung kann die Verschiebungsgeschwindigkeit reduziert werden, wobei auch eine zeitweise Unterbrechung der Verschiebebewegung (Geschwindigkeit = 0 in Verschiebungsrichtung) möglich ist. Bereiche mit gefordertem geringen Materialabtrag können entsprechend mit hoher Verschiebegeschwindigkeit überfahren werden. Insbesondere in Kombination mit einer veränderlichen Schwingungsamplitude sind komplexe Formgebungen der Bohrungsinnenfläche möglich.
Um die geforderte Sollform in einem einzigen Arbeitshub des Honwerkzeuges zu erzielen, wird bei bevorzugten Varianten die Verschiebungsbewegung derart gesteuert, dass, bezogen auf die Verschiebungsbewegung, jeder Bereich der Innenfläche nur maximal einmal von einer Schneidgruppe des Honwerkzeuges bearbeitet wird. Die Verschiebungsbewegung kann zum Beispiel zu einem einmaligen Durchlaufen des Werkzeuges durch eine Bohrung von oben nach unten bzw. umgekehrt führen. In Verbindung mit einer mit veränderlicher Schwingungsamplitude erfolgenden Oszillation des Werkzeuges in Umfangsrichtung ist ein besonders schneller Bearbeitungsprozess möglich. Zur Erzeugung größerer Unterschiede im Abtrag an verschiedenen Stellen der Bohrung ist auch ein mehrfaches Durchlaufen möglich.
Die Schwingungsbewegung der Schneidgruppe kann dadurch erzeugt werden, dass die Schneidgruppe relativ zum Werkzeugkörper des Honwerkzeuges oszillierend angetrieben wird. Hierzu kann ein in das Honwerkzeug integrierter Schwingantrieb vorgesehen sein. Bevorzugte Varianten des Verfahrens können mit herkömmlichen Honwerkzeugen durchgeführt werden, indem das Honwerkzeug mit Hilfe der für die Werkzeugbewegung erforderlichen Antriebe in die Schwingungsbewegung und Verschiebungsbewegung versetzt wird. Es können die vorhandenen NC-Achsen für Hub und/oder Drehung des Honwerkzeuges so gesteuert werden, dass diese die Oszillation bewirken.
Bei einer Ausführungsform wird das Honwerkzeug zur Erzeugung der Schwingungsbewegung in eine in Umfangsrichtung oszillierende Bewegung versetzt, vorzugsweise ohne gleichzeitige axiale Oszillationsbewegung. Die Winkelamplituden der in Umfangsrichtung oszillierenden Schwingungsbewegung liegen typischerweise deutlich unterhalb 180°, insbesondere bei weniger als 90° und/oder weniger als 45°. Sie können beispielsweise bei weniger als 30° oder weniger als 20° liegen. Als untere Grenze für die Winkelamplitude haben sich in vielen Fällen Werte von 1° ° bis 10° als praktikabel herausgestellt. Die Winkelamplituden können so gesteuert werden, dass sie sich in Abhängigkeit von der Zeit und/oder der Hublage ändern.
Die Schwingungsbewegung kann auch eine in Axialrichtung gerichtete Komponente haben, die allein oder in Verbindung mit einer in Umfangsrichtung gerichteten Komponente vorgesehen sein kann. Sofern eine in Axialrichtung oszillierende Bewegung vorgesehen ist, liegt deren Amplitude typischerweise im Bereich zwischen ca. 1% und ca. 50% der axialen Werkzeuglänge, d.h. der axialen Länge, in der Schneidstoffkörper in materialabtragenden Eingriff mit der Innenfläche stehen.
Bei manchen Ausführungsformen wird das Honwerkzeug in eine in Umfangsrichtung oszillierende Bewegung versetzt, die eine maximale Schwingungsamplitude von höchstens 90° hat, wobei eine in Umfangsrichtung der Bohrung gerichtete Geschwindigkeitskomponente der Schneidgruppe erzeugt wird, die mindestens so groß ist wie eine in Axialrichtung der Bohrung gerichtete Geschwindigkeitskomponente. Eine resultierende Hauptbewegungsrichtung der mit veränderlicher Schwingungsamplitude oszillierenden Schneidgruppe liegt unter diesen Bedingungen im Wesentlichen in Umfangsrichtung oder schließt mit der Umfangsrichtung nur einen Winkel von beispielsweise maximal 5° bis 45° ein. Der wesentliche Anteil des Materialabtrages erfolgt bei dieser Verfahrensvariante somit durch die in Umfangsrichtung erfolgende Oszillationsbewegung, die z.B. eine veränderliche Schwingungsamplitude haben kann. Hierdurch können gezielt in vorgegebenen axialen Bohrungsabschnitten Bereiche mit unterschiedlichen Krümmungsradien erzeugt werden, um beispielsweise einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt oder einen Querschnitt mit "Kleeblattform" (Unrundheit 4. Ordnung) zu erzeugen.
Wenn das Honwerkzeug während der in Umfangsrichtung mit veränderlicher Amplitude oszillierenden Schwingungsbewegung mit einer zeitlich veränderlichen Hubgeschwindigkeit in Axialrichtung verschoben bzw. bewegt wird, so lassen sich unrunde Bohrungen erzeugen, deren nicht kreiszylindrische Bohrungsquerschnittsform in Axialrichtung der Bohrung kontinuierlich variiert. Hierzu kann die Hubgeschwindigkeit als Funktion der Hublage gesteuert werden.
Die Bearbeitung mit zeitlich veränderlicher Schwingungsamplitude lässt sich beispielsweise zur Erzeugung von ovalen Bohrungsquerschnittsformen nutzen. Bei einer Verfahrensvariante wird hierzu ein Honwerkzeug mit einem einzigen Paar von diametral gegenüberliegenden Schneidgruppen verwendet und das Honwerkzeug wird in die oben beschriebene in Umfangsrichtung oszillierende Bewegung versetzt, die eine zeitlich veränderliche Schwingungsamplitude hat. Die Schwingungsamplitude variiert in der Regel zwischen einem Minimalwert, der beispielsweise bei 0° oder weniger als 10 ° liegen kann, und einem Maximalwert, der höchsten bei 90° liegt und normalerweise mindestens doppelt oder dreifach oder vierfach oder fünffach oder zehnfach so groß ist wie der Minimalwert. Auf diese Weise kann z.B. eine ovale Bohrungsquerschnittsform erzeugt werden. Bei einer Ausführungsform beginnt der Prozess mit einer großen Schwingungsamplitude von ca. 90°. Mit zeitlichem Verlauf des Prozesses reduziert sich die Schwingungsamplitude kontinuierlich um mindestens 50% oder 70% oder mehr, z.B. bis auf ca 10°.
Bei einer anderen Verfahrensvariante wird ein Honwerkzeug mit vier um jeweils 90° umfangsversetzten Schneidgruppen verwendet und das Honwerkzeug wird in der oben erläuterten Art in eine in Umfangsrichtung oszillierende Bewegung mit veränderlicher Schwingungsamplitude versetzt. Der Maximalwert der Schwingungsamplitude sollte hier bei 45° oder darunter liegen. Hierdurch können gezielt Unrundheiten 4. Ordnung erzeugt werden, wie sie beispielsweise im zylinderkopfseitigen Eintrittsbereich von Zylinderbohrungen gewünscht sind.
In manchen Anwendungsbereichen ist es gewünscht, dass eine Bohrung in einem definierten begrenzten Axialbereich eine gegenüber den benachbarten Axialbereichen vergrößerten Bohrungsquerschnitt hat, der sich im Axialschnitt der Bohrung als in Axialrichtung verlaufende Ausbeulung darstellt. Beispielsweise neigen im Motorenbetrieb besonders dünne Querschnitte, z.B. die Stege zwischen den Zylindern, dazu, sich stärker zu erwärmen als andere Bereiche des Motorblockes. Diese dünneren Bereiche dehnen sich dann aus, wodurch die Bohrung im Bereich der Stege enger wird, was zu größerem Verschleiß an dieser Stelle führt. Durch gezielte lokale Erzeugung von Ausbeulungen können diese Verformungen vorgehalten werden, so dass der Verschleiß in diesen Bereichen reduziert wird. Solche Abweichungen von einer ideal kreiszylindrischen Bohrungsgeometrie sind gemäß einer Verfahrensvariante dadurch erzeugbar, dass das Honwerkzeug innerhalb eines vorgebbaren Bearbeitungszeitintervalles in eine in Axialrichtung kurzhubig um eine vorgebbare Axialposition oszillierende Schwingungsbewegung mit veränderlicher Schwingungsamplitude versetzt wird. Der Hub der Schwingungsbewegung, der dem doppelten der maximalen Schwingungsamplitude entspricht, ist typischerweise klein gegen die axiale Bohrungslänge und kann beispielsweise bei weniger als 50% oder weniger als 30% der Bohrungslänge liegen. Vorzugsweise findet die hier beschriebene Erzeugung lokaler Ausbeulungen als letzter materialabtragender Bearbeitungsschritt statt, so dass die Ausbeulung nicht durch nachfolgende materialabtragende Bearbeitungsschritte wieder reduziert oder beseitigt wird.
Bei allen Verfahrensvarianten mit veränderlicher Schwingungsamplitude kann es vorteilhaft sein, wenn die Schwingungsamplitude innerhalb eines Änderungszeitintervalls von einer maximalen Schwingungsamplitude zu einer minimalen Schwingungsamplitude kontinuierlich oder schrittweise reduziert wird, vorzugsweise ohne eine nachfolgende Erhöhung der Schwingungsamplitude. Wenn im einem gewissen Bearbeitungsbereich der Prozess zunächst mit der maximalen Schwingungsamplitude begonnen wird und mit dem Fortschritt der Bearbeitung die Schwingungsamplitude dann schrittweise oder kontinuierlich reduziert wird, kann eine besonders gleichmäßige Flächenpressung realisiert werden, da abgesichert ist, dass die Schneidgruppe nie in einen bezüglich des Durchmessers kleineren Bereich einfährt.
Wie erwähnt, ist es bei manchen Bearbeitungsaufgaben erwünscht, kreisförmige Bohrungsformen mit komplexen Abweichungen von einer exakten Kreisform durch Honen zu erzeugen. Dies kann durch beim eingangs erwähnten "Formhonen" von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen vorgesehen sein, um im unverspannten Werkstück (Zylinderblock) eine Negativform des Zylindrizitätfehlers zu erzeugen, der durch die während der Montage und während des Betriebs erzeugten Deformationen entsteht, um im Betrieb eine einsatzoptimale zylindrische Bohrungsgeometrie zu erhalten. Um eine besonders große Flexibilität hinsichtlich der erzielbaren Sollform zu erzielen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform eine im wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges zur Erzeugung einer Axialbewegung des Honwerkzeuges im wesentlichen parallel zur Bohrungsachse der Bohrung und eine, gegebenenfalls zeitlich asymmetrische, Steuerung der Schwingungsbewegung und/oder der Verschiebungsbewegung einer einseitig der Werkzeugachse an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Hublage und/oder der Winkelposition des Honwerkzeuges vorgesehen.
Durch diese Verfahrensführung kann erreicht werden, dass diese Schneidgruppe in ihrem Eingriffswinkeibereich einen Materialabtrag bewirkt, ohne dass dies zwangsläufig zu einem vergleichbaren Materialabtrag an der diametral gegenüberliegenden Seite der Bohrungsinnenfläche führt. Die dem Anpressdruck der Schneidgruppe entgegenwirkende Gegenkraft wird nicht durch Material abtragende Schneidstoffkörper an der diametral gegenüberliegenden Seite aufgebracht, sondern durch die im wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges, die ein Ausweichen des Honwerkzeuges quer zur Werkzeugachse bei einseitigem Anpressen der Schneidstoffkörper an die Bohrungsinnenfläche verhindert.
Auf diese Weise kann das Verfahren insbesondere so durchgeführt werden, dass die Bohrung zumindest in einem axialen Bohrungsabschnitt eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform erhält, die von einer bezogen auf die Bohrungsachse zwei-zählig radial symmetrischen Form signifikant abweicht.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Honwerkzeug zur im Wesentlichen starren Führung der Axialbewegung innerhalb der Bohrung axial gleitbeweglich und quer zur Werkzeugachse im Wesentlichen unbeweglich abgestützt. Dadurch ist es möglich, auf außerhalb des Werkstückes anzuordnende Führungseinrichtungen zu verzichten.
Bei einer Weiterbildung wird hierzu ein Honwerkzeug verwendet, welches einen Satz von um den Umfang des Honwerkzeuges verteilten Führungsleisten zur axialen Führung des Honwerkzeuges in der Bohrung umfasst, die vorzugsweise unabhängig von der Schneidgruppe in Richtung auf die Innenfläche der Bohrung zustellbar sind, wobei die im Wesentlichen starre Führung der Axialbewegung dadurch erreicht wird, dass die Führungsleisten während der Bewegung des Honwerkzeuges in der Bohrung an die Innenfläche der Bohrung angedrückt werden.
Bei dieser Verfahrensvariante zentrieren die Führungsleisten das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung. Die Führungsleisten sind vorzugsweise so ausgelegt, dass sie kaum einen oder nur einen geringen Werkstoffabtrag erzeugen, was hier als "im Wesentlichen nicht-schneidende Führungsleisten" bezeichnet wird. Die Führungsleisten können zumindest in den im Kontakt mit der Innenfläche der Bohrung tretenden Bereichen aus einem Kunststoff, aus Gummi, einem Elastomer geeigneter Härte (z.B. Vulkollan®), einem Metall, einem Hartmetall oder aus einer Keramik bestehen oder es kann sich um Honleisten mit einem hohen Schneidstoffanteil handeln.
Es ist auch möglich, dass die im Wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges dadurch erreicht wird, dass das Honwerkzeug außerhalb der Bohrung des Werkstückes axial beweglich und quer zur Werkzeugachse im Wesentlichen unbeweglich geführt wird. Je nach Typ der Bohrung kann hierzu eine einseitige Führung ausschließlich an der Eintrittsseite der Bohrung, eine einseitige Führung ausschließlich an der der Eintrittseite gegenüberliegenden Austrittsseite der Bohrung (bei Durchgangsbohrungen), oder eine beidseitige Führung sowohl an der Eintrittseite, als auch an der gegenübliegenden Austrittsseite vorgesehen sein. Eine gegen Querbelastung starre Kopplung des Honwerkzeuges an eine gegen Querbelastung starr geführte Honspindel kann ggf. ebenfalls ausreichen, die starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges zu gewährleisten. Dann kann ggf. auf Führungselemente im Bereich des Honwerkzeuges völlig verzichtet werden. Die ausschließlich externe Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges erfordert höchste Genauigkeit bei der relativen Positionierung zwischen Werkstück und Honwerkzeug.
Um eine möglichst flexible Steuerung der Form des Bohrungsquerschnittes im bearbeitenden Bereich zu erhalten, ist bei einer Variante vorgesehen, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, das eine einzige separat zustellbare Schneidgruppe hat, die vorzugsweise einen Eingriffswinkel von weniger als 90° besitzt. Der Begriff "Eingriffswinkel" beschreibt hier den Winkelbereich entlang des Umfanges des Honwerkzeuges, in dem Schneidstoffkörper der Schneidgruppe in Eingriff mit der Bohrungswandung stehen. Häufig ist es günstig, wenn der Eingriffswinkel zwischen ca. 1° und ca. 70° liegt, er kann beispielsweise zwischen 5° und 60° liegen und/oder zwischen 20° und 45°. Je kleiner der Eingriffswinkel ist, desto exakter ist eine komplexe Form der Kontur der Innenfläche durch Steuerung der Zustellkraft in Abhängigkeit von der Winkelposition des Honwerkzeuges zu erreichen. Es können auch Honwerkzeuge mit mehreren unabhängig voneinander zustellbaren Schneidgruppen verwendet werden.
Die Schneidstoffkörper können auch symmetrisch oder fast symmetrisch über den Umfang des Honwerkzeuges verteilt angeordnet sein. In diesem Falle können Sollformen mit zwei-zähliger oder mehrzähliger Radialsymmetrie erzeugt werden, da eine Schwingungsbewegung und Verschiebungsbewegung des Honwerkzeuges sich gleichermaßen auf alle Schneidstoffkörper auswirken kann. Auf die im wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges kann in diesen Fällen verzichtet werden.
Der Honprozess kann nach Maßgabe von vor dem Honprozess ermittelten Bearbeitungsparametern durchgeführt werden, zu denen insbesondere der mindestens eine Schwingungsparameter, der mindestens eine Verschiebungsparameter, mindestens ein Parameter für die Zustellkraft oder deren zeitliche Änderung sowie weitere Parameter gehören können. Die Schwingungsparameter können einen die zeitliche Änderung der Schwingungsamplitude definierenden Amplitudenänderungsparameter umfassen. Bei einer Verfahrensvariante findet eine Messung des Durchmessers der Bohrung während der Bearbeitung an mindestens zwei in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung versetzten Messpositionen zur Erzeugung eines ersten und mindestens eines zweiten Durchmessermesssignals statt. Die Durchmessermesssignale erlauben Rückschlüsse auf die aktuelle Form der in Bearbeitung befindlichen Bohrung. Da der Durchmesser gleichzeitig an mindestens zwei gegeneinander versetzten Stellen und/oder in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen gemessen wird, sind auch komplexe Bohrungsgeometrien ortsauflösend erfassbar, die beispielsweise eine definierte Abweichung von einer ideal kreiszylindrischen Form haben. Eine solche Messung kann somit auch unabhängig von den sonstigen Merkmalen der Erfindung besonders bei allen Verfahrensvarianten des Formhonens nützlich sein.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird eine Steuerung der Honbearbeitung nach Maßgabe der mindestens zwei Durchmessermesssignale durchgeführt. Durch die Messwertrückführung in die Steuereinheit und eine ggf. darauf basierenden Veränderung der Bearbeitungsparameter während der Bearbeitung ist eine Regelung des Bearbeitungsprozesses möglich. Dadurch können Bohrungen mit noch geringerer Abweichung von einer gewünschten Soll-Geometrie bei optimierten Bearbeitungszeiten erzeugt werden. Im Rahmen einer solchen Regelung kann beispielsweise die Schwingungsamplitude und/oder die Änderung der Schwingungsamplitude und/oder die Frequenz der Schwingung und/oder mindestens ein Verschiebungsparameter und/oder die Flächenpressung als Variable geregelt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Honmaschine, die eine Bewegungs-Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bewegung mindestens einer an einem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Hublage und/oder der Winkelposition des Honwerkzeuges in einer Bohrung hat, wobei die Bewegungs-Steuerungseinrichtung zur Erzeugung einer Schwingungsbewegung der Schneidgruppe im wesentlichen parallel zu einer Innenfläche der Bohrung mit veränderlicher Schwingungsamplitude nach Maßgabe mindestens eines Schwingungsparameters, und vorzugsweise zur Erzeugung einer der Schwingungsbewegung überlagerten Verschiebungsbewegung der Schneidgruppe entlang der Innenfläche der Bohrung nach Maßgabe mindestens eines Verschiebungsparameters, konfiguriert ist.
Beispielsweise kann die Bewegungs-Steuerungseinrichtung einer konventionellen Honmaschine so modifiziert sein, dass der bekannten langhubigen Hubbewegung und der Umfangsbewegung des Honwerkzeuges eine Oszillation in Hub- und/oder Umfangsrichtung mit deutlich kürzerem Hub überlagert werden kann. Bei einer Ausführungsform sind zur Einstellung einer lokal unterschiedlichen Werkstoffabtrennung sowohl die Hub- und/oder Umfangsgeschwindigkeit der langhubigen Bewegungen, als auch die Hub- und/oder Umfangsgeschwindigkeit der im Vergleich dazu kurzhubigeren Schwingungsbewegung jeweils in Abhängigkeit von der Hub- und Winkellage des Honwerkzeuges separat einstellbar. Unterstützend kann auch eine Einstellmöglichkeit vorgesehen sein, um die Anpresskraft der Schneidstoffkörper in Abhängigkeit von der Hub- und Winkellage zu verändern.
Die Bewegungs-Steuerungseinrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie eine Einstellmöglichkeit für geeignete Amplitudenänderungsparameter enthält, insbesondere für die maximale und minimale Schwingungsamplitude und einen gewünschten zeitlichen Verlauf der Veränderung der Schwingungsamplitude während eines Änderungszeitintervalles.
Bei manchen Ausführungsformen hat die Honmaschine ein Meßsystem zum Messen des Durchmessers der Bohrung während der Bearbeitung an mindestens zwei in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung der Bohrung versetzten Messpositionen zur Erzeugung eines ersten und mindestens eines zweiten Durchmesser-Messsignals. Dies erlaubt die Überwachung des Bearbeitungsfortschrittes während des Bearbeitungsprozesses, um ggf. Korrekturen der Bearbeitungsparameter vornehmen zu können. Vorzugsweise ist die Bewegungs-Steuerungseinrichtung als Regelungseinrichtung konfiguriert, die es erlaubt, die Honbearbeitung nach Maßgabe der mindestens zwei Durchmessermesssignale zu steuern. Auf diese Weise können ohne Eingriffe eines Bedieners die Bearbeitungsparameter des Honprozesses während der Bearbeitung bei Bedarf automatisch optimiert werden.
Erfolgt die Erzeugung der Makroform der Bohrung im Wesentlichen ohne eine Variation der Anpresskraft der Schneidgruppe, so ist die erzeugte Bohrungsinnenfläche durch eine sehr geringe Schwankung der Rauheit gekennzeichnet. Dies vermindert den bei den nachfolgenden, oberflächenbildenden Bearbeitungsoperationen erforderlichen Materialabtrag, so dass diese Prozesse in kürzeren Bearbeitungszeiten durchgeführt werden können. Es ist z.B. möglich, ein Werkstück mit mindestens einer Bohrung zu erzeugen, die eine gehonte Innenfläche aufweist, wobei die Bohrung in mindestens einem axialen Bohrungsabschnitt eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform hat, so dass die Bohrung einen Zylindrizitätsfehler von mehr als 20 µm aufweist, wobei eine Schwankungsbreite für den arithmetischen Mittenrauwert R_a über den Umfang der Bohrung weniger als 30 % beträgt. Nach der hier beschriebenen formgebenden Bearbeitung sind in der Regel die Bearbeitungsspuren der durch die Schwingungsbewegung der Schneidgruppe erzeugten kurzhubigen Bearbeitung an der Innenfläche erkennbar. In der Regel ist es jedoch so, dass diese Bearbeitungsspuren in nachfolgenden, im Wesentlichen nur die Oberflächentopographie verändernden Bearbeitungsoperationen wieder entfernt werden.
Die vorstehenden und weiteren Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungsformen darstellen. Bevorzugte Ausführungsformen werden an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Gesamtansicht einer Honmaschine, die zur Durchführung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honverfahrens konfiguriert ist;
Fig. 2 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines 4-Zylinder-Motorblockes bei der Bearbeitung mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honverfahrens;
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung von Geschwindigkeitskomponenten der Schwingungsbewegung und der Verschiebungsbewegung einer Schneidgruppe bei der Bearbeitung einer Bohrungsinnenfläche; und
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Einflusses der Verschiebungsgeschwindigkeit v₃ auf die Abtragsrate A einer konstant schwingend angetriebenen Schneidgruppe, jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t;
Fig. 5 zeigt schematische Messdiagramme einer Zylinderbohrung mit großem Zylindrizitätsfehler und signifikanter Abweichung von einer 2-zähligen Radialsymmetrie;
Fig. 6 zeigt schematische Diagramme zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Geometrie einer Bohrung mit großem Zylindrizitätsfehler und der zur Erzeugung der unrunden Bohrungsform erforderlichen Variation der Verschiebungsgeschwindigkeit über die Winkelposition einer einseitig an einem Honwerkzeug angebrachten, oszillierenden Schneidgruppe;
Fig. 7 bis 9 zeigen schematisch unterschiedliche Honwerkzeuge, die bei Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren eingesetzt werden können;
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Zylinderbohrung, die mit Hilfe eines mit vier Honleisten ausgestatteten Honwerkzeuges bearbeitet wird, das in eine in Umfangsrichtung verlaufende Schwingungsbewegung mit veränderlicher Schwingungsamplitude versetzt wird;
Fig. 11 zeigt ein schematisches Diagramm für die Wirkzeit t_W (wirksame Bearbeitungszeit) und die Axialgeschwindigkeit v_AX des Honwerkzeuges in Abhängigkeit von der Axialposition des Honwerkzeuges in der Bohrung gemäß Fig. 10;
Fig. 12 zeigt ein schematisches Diagramm der Veränderung der Schwingungsamplitude über die Zeit gemäß verschiedener Varianten von Bearbeitungsverfahren; und
Fig. 13 zeigt ein schematisches Diagramm einer Bohrung mit einer lokal begrenzten Durchmessererweiterung in einem Axialabschnitt sowie ein zugehöriges Diagramm für die Axialgeschwindigkeit v_AX eines zur Bearbeitung der Bohrung genutzten Honwerkzeuges.

In Fig. 1 ist schematisch die Vorderansicht einer Honmaschine 100 gezeigt, die im Rahmen verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren zur Bearbeitung von Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken eingesetzt werden kann, um eine oder mehrere Honoperationen an dem Werkstück auszuführen. Auf dem Maschinenbett 102 der Honmaschine ist eine Aufspannplatte 104 befestigt, die ein darauf aufgespanntes Werkstück 106 trägt, bei dem es sich im Beispielsfall um einen Motorblock einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine handelt. In dem Motorblock sind mehrere Zylinderbohrungen mit generell vertikaler Ausrichtung ihrer Zylinderachsen gebildet. Die durch die Innenflächen der Zylinderbohrungen gebildeten Zylinderlaufflächen werden auf der Honmaschine einer qualitätsbestimmenden Endbearbeitung unterzogen, bei der sowohl die Makroform der Zylinderlaufflächen, als auch deren Oberflächentopographie durch geeignete Honprozesse erzeugt wird.
Bei der zweispindligen Honmaschine 100 sind auf einer portalartigen Trägerkonstruktion 108 zwei im wesentlichen identisch aufgebaute Honeinheiten 110, 112 befestigt, die abwechselnd oder gleichzeitig bei der Werkstückbearbeitung eingesetzt werden können. Ihr Aufbau wird anhand der Honeinheit 110 näher erläutert. Die Honeinheit umfasst einen auf der Trägerkonstruktion befestigten Spindelkasten 114, der die Honspindel 120 führt. Die Honspindel lässt sich mit Hilfe eines am Spindelkasten befestigten Spindelmotors 118 um ihre Längsachse drehen. Das untere Ende der Honspindel wird durch eine Gelenkstange gebildet, an deren unteres, freies Ende das als Bearbeitungswerkzeug dienende Honwerkzeug 150 begrenzt beweglich mechanisch angekoppelt ist. Ein auf dem Spindelkasten 114 montierter Hubantrieb 124 bewirkt die Vertikalbewegung der Honspindel beim Einführen des Werkzeuges in das Werkstück bzw. beim Herausziehen aus dem Werkstück und wird während der Honbearbeitung so angesteuert, dass das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung des Werkstückes eine vertikale Hin- und Herbewegung ausführt. Der Spindelmotor 118 und der Hubantrieb 124 werden über eine Bewegungs-Steuerungseinrichtung 180 angesteuert, die ein Teilsystem der Gesamt-Steuerung der Honmaschine bildet.
Bei dieser Ausführungsform steuert die Bewegungs-Steuerungseinrichtung 180 alle Honachsen der Honmaschine. Dieses Steuersystem wird genutzt, um die im Vergleich zu herkömmlichen Honsystemen hinzugekommene Schwingungsbewegung der Schneidgruppe zu erzeugen und der Verschiebungsbewegung zu überlagern. Hierzu kann ein geeignetes Arbeitsprogramm der computernumerischen Steuerung vorgesehen sein. Zur Einstellung einer lokal unterschiedlichen Werkstoffabtrennung sind in der Steuerung folgende Parameter in Abhängigkeit von Hub- und Winkellage des Honwerkzeuges einstellbar: (1) Hub- und/oder Umfangsgeschwindigkeit der langhubigen Verschiebungsbewegungen; (2) Hub- und/oder Umfangsgeschwindigkeit der kurzhubigeren Schwingungsbewegungen. Es existiert auch eine Einstellmöglichkeit, mit der die Anpresskraft der Schneidgruppe in Abhängigkeit von Hub- und Winkellage veränderbar ist.
Die Honmaschine ist mit einem Zustellsystem 140 ausgestattet, das zwei unabhängig voneinander betätigbare Zustelleinrichtungen umfasst, die unterschiedlichen Sätzen von Elementen am Honwerkzeug zugeordnet sind.
Fig. 2 zeigt in schematischer, schrägperspektivischer Ansicht einen Zylinderblock (Motorblock) 200 für eine 4-Zylinder-Brennkraftmaschine. In dem aus einem Gusswerkstoff oder aus einem Leichtmetall-Werkstoff bestehenden Zylinderblock sind vier achsparallele Zylinderbohrungen 201, 202, 203, 204 in gleichen Abständen in Reihe so nebeneinander angeordnet, dass ihre zentralen Bohrungsachsen in einer gemeinsamen Ebene (Zylinderebene 212) liegen. Von der Oberseite des Zylinderblockes her sind mit Innengewinde versehene Bohrungen 215 achsparallel zu den Zylinderbohrungen so eingebracht, dass jeweils vier dieser Bohrungen gleichmäßig um den Umfang einer Zylinderbohrung verteilt sind. Die Bohrungen 215 dienen zur Aufnahme von Zylinderkopfschrauben, mit deren Hilfe nach Fertigstellung der Bearbeitung des Zylinderblockes der zugehörige Zylinderkopf auf den Zylinderblock 200 unter Zwischenlage einer Zylinderkopfdichtung aufgeschraubt wird.
Es ist erkennbar, dass es sich bei dem Zylinderblock 200 um ein strukturell uneinheitliches Werkstück handelt, bei dem insbesondere jede der Zylinderbohrungen 201-204 eine unterschiedliche Werkstückumgebung hat, insbesondere hinsichtlich der Wandstärke im Bereich der Zylinderbohrungen und auch durch unterschiedliche Anbindungen an die Kühlmittelkanäle des motorblockinternen Kühlsystems. Beispielsweise haben die innen liegenden Zylinderbohrungen 202 und 203 des zweiten und dritten Zylinders jeweils zwei in der Zylinderebene liegenden Nachbar-Zylinderbohrungen, während die außenliegenden Zylinderbohrungen (Zylinder 1 und 4) nur eine jeweils innenliegende Nachbar-Zylinderbohrung haben und an der gegenüberliegenden Seite an dickere Wandabschnitte des Werkstückes grenzen.
Am unteren Ende der Honspindel 220 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeuges 250 angekoppelt, bei dem es sich um ein kardanisch gelagertes Honwerkzeug mit Doppelaufweitung handelt. Das Honwerkzeug hat einen Werkzeugkörper 255, der an einer Seite seines Umfanges eine durch eine einzige Honleiste gebildete Schneidgruppe 260 trägt, die mit Hilfe eines nicht näher dargestellten Schneidgruppen-Zustellsystems in radialer Richtung zur Bohrungsinnenwand zugestellt bzw. zurückgezogen werden kann. Die Schneidgruppe 260 ist einseitig an dem Honwerkzeug angebracht. Dies bedeutet insbesondere, dass alle bei der Honbearbeitung in materialabtragendem Eingriff mit der Bohrungsinnenwand stehenden Schneidstoffkörper auf der gleichen Seite einer werkzeughalbierenden Werkzeugebene liegen, die die Werkzeugachse enthält und senkrecht auf der Winkelhalbierenden der Schneidgruppe steht. Weiterhin ist am Werkzeugkörper ein Satz von um den Umfang des Honwerkzeuges ungleichmäßig verteilten Führungsleisten 270 vorgesehen, die mit Hilfe eines Führungsleisten-Zustellsystems unabhängig von der Schneidgruppe 260 in Richtung auf die Innenfläche der Bohrung zugestellt werden können. Bei Anliegen der im Wesentlichen nicht-schneidenden Führungsleisten an der Innenfläche der Bohrung ergibt sich eine im Wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges innerhalb der Bohrung parallel zur Bohrungsachse 213, so dass die Führungsleisten eine Axialführungseinrichtung für das Honwerkzeuges bilden.
Die Zustellbewegung sowohl der Führungsleisten als auch der Schneidgruppe sowie die jeweils aufgebrachte Zustellkraft werden mit Hilfe einer Zustellkraft-Steuerungseinrichtung 290 der Honmaschine unabhängig voneinander gesteuert. Die Bewegungen des Honwerkzeuges innerhalb der Bohrung werden durch die Bewegungs-Steueriungseinrichtung 280 gesteuert.
Anhand der Fig. 3 und 4 wird nun erläutert, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform des Bearbeitungsverfahrens durch geeignete Steuerung der Schwingungsbewegung und der Verschiebungsbewegung einer Schneidgruppe des Honwerkzeuges an unterschiedlichen Stellen der Innenfläche einer Bohrung lokal unterschiedlich starke Materialabträge erzielbar sind, um eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform zu erzeugen. Fig. 3 zeigt hierzu schematisch einen axialen Schnitt durch eine Zylinderbohrung 303 eines Motorblockes 300. In die Zylinderbohrung ist ein Honwerkzeug eingeführt, von dem nur eine Honleiste 360 gezeigt ist, die die einzige Schneidgruppe des Honwerkzeuges bildet und die in spanabhebenden Eingriff mit der Innenfläche 330 der Bohrung steht.
In der Bewegungs-Steuerungseinrichtung der Honmaschine ist ein Arbeitsprogramm aktiv, das eine Schwingungsbewegung und eine der Schwingungsbewegung überlagerte Verschiebungsbewegung des Honwerkzeuges und der daran angebrachten Schneidgruppe steuert. Die Schwingungsbewegung setzt sich aus einer in Umfangsrichtung gerichteten Komponente (Richtung des Vektors V₂) und einer in Axialrichtung gerichteten Komponente (Richtung des Vektors V₁) zusammen, wobei an der Bewegungs-Steuerungseinrichtung sowohl die Schwingungsamplitude, als auch die Schwingungsfrequenz als Schwingungsparameter einstellbar sind. In der beispielhaften Variante ist die Schwingungsamplitude in Axialrichtung (Vektor V₁) auf den Wert 0 gesetzt, so dass ausschließlich eine Schwingungsbewegung in Umfangsrichtung (Vektor V₂) vorliegt, bei der die Schneidgruppe 360 in Umfangsrichtung oszillierend mit einer Winkelamplitude von ca. 4 ° und einer Frequenz von ca. 2 Hz hin- und herbewegt wird. Diese oszillierende Bearbeitungsbewegung erzeugt in Verbindung mit dem durch die Zustellkraft-Steuerungseinrichtung konstant vorgegebenen Anpressdruck am Ort der Schneidgruppe einen Materialabtrag, dessen Betrag im wesentlichen proportional zu der am jeweiligen Ort vorliegenden Bearbeitungszeit (bzw. i.W. umgekehrt proportional zur lokalen Verschiebungsgeschwindigkeit) ist.
Der Schwingungsbewegung ist eine Verschiebungsbewegung der Schneidgruppe in Richtung des Verschiebungsvektors V₃ überlagert, wobei sowohl die Richtung, als auch die Geschwindigkeit dieser Verschiebungsbewegung (Geschwindigkeit v₃) an der Bewegungs-Steuerungseinrichtung als Verschiebungsparameter vorgebbar sind. Die Richtung der Verschiebungsbewegung ist veränderlich und sichert ab, dass die Schneidgruppe alle Bereiche der Bohrungsinnenfläche erreicht. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Verschiebungsbewegung so parametrisiert, dass die Honleiste 360 eine an das klassische Honen angelegte Drehbewegung (in Umfangsrichtung) in Verbindung mit einer alternierenden Hubbewegung in Axialrichtung erzeugt (siehe gestrichelter Pfeil). Entlang des Verschiebungsweges, d.h. bei Überstreichen der Innenfläche der Bohrung, wird die Geschwindigkeit v₃ der Verschiebungsbewegung variiert. Die Steuerung der Verschiebungsgeschwindigkeit v₃ erfolgt in Abhängigkeit von der geforderten Sollform der Bohrung. Durch die Veränderung der Verschiebungsgeschwindigkeit ergeben sich lokal unterschiedliche Bearbeitungsdauern, so dass lokal in der Bohrung unterschiedlich starke Werkstoffabtrennungen erreicht werden. Dies ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Bei konstanter Schwingungsbewegung (d.h. konstanter Schwingungsamplitude, -frequenz und -richtung) ergibt sich eine annähernde Proportionalität zwischen Materialabtrag A und Verschiebungsgeschwindigkeit v₃, da in Bereichen höherer Verschiebungsgeschwindigkeit die lokale Bearbeitungsdauer und damit der lokal erzielte Materialabtrag geringer ist als in Bereichen niedrigerer Verschiebungsgeschwindigkeit. Dementsprechend wird die Steuerung so programmiert, dass in Bereichen mit geforderter starker Werkstoffabtrennung die Verschiebungsgeschwindigkeit v₃ gering oder für ein festgelegtes Zeitintervall auch null ist, während für Bereiche mit geforderter geringerer Werkstoffabtrennung eine höhere Verschiebungsgeschwindigkeit vorgesehen ist.
Da bei dieser Verfahrensvariante nur die Zeit bzw. die Verschiebungsgeschwindigkeit als Steuerparameter verwendet wird, während die Anpresskraft der Schneidgruppe während der gesamten Bearbeitungsdauer konstant bleibt, ist die erzeugte Rauheit der bearbeiteten Innenfläche unabhängig von der erzeugten Form. Typische gemittelte Rauhtiefen R_Z liegen über die gesamte bearbeitete Innenfläche im Bereich R_Z = 4 µm bis 6 µm.
Die Komponenten der Schwingungsbewegung in Umfangsrichtung und in Axialrichtung können konstante oder veränderliche Ampliuden und/oder Frequenzen haben. Die Veränderung der Amplitude und/oder Frequenz können zur Unterstützung der Steuerung des Abtrags genutzt werden. Beispielsweise kann für lokale Bereiche mit gefordertem hohen Materialabtrag die Schwingungsfrequenz erhöht werden, um bei gleicher Verweildauer der Schneidgruppe an der Bohrungsinnenfläche eine erhöhte Abtragsleistung zu erzielen.
Es ist auch möglich, dass die Flächenpressung als Variable gesteuert wird, d.h., dass der Anpressdruck der Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Hubposition und/oder der Winkelposition des Honwerkzeuges bzw. der Schneidgruppe variiert wird. In jedem Fall ist die Steuerkurve der für den Materialabtrag verantwortlichen Parameter abhängig von der Sollform der Bohrung.
Ein typische, mit Hilfe des Verfahrens an einem unverspannten Werkstück erzeugbare Bohrungsgeometrie, die bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen eines Zylinderblockes erzeugt werden kann, wird anhand von Figur 5 erläutert.
Zur Charakterisierung der Makroform einer Zylinderlauffläche zeigt Fig. 5 (a) einen schematischen Umfangsschrieb und Fig. 5 (b) einen schematischen Längsschrieb der Dimensionen einer Zylinderlauffläche. Für den Umfangsschrieb werden radiale Abstände der Bohrungsinnenwand von der Bohrungsachse BA in Abhängigkeit von der Umfangsposition entlang der Bohrungsinnenfläche gezeigt, wobei der Nullpunkt der Umfangsrichtung sowie die 180°-Lage in der durch die Bohrungsachsen der Zylinder definierten Zylinderebene 212 (vgl. Fig. 2) liegen und die 90°- und 270°-Positionen die senkrecht dazu liegenden Bereiche in der Nähe der vorderen und hinteren Breitseite des Zylinderkopfes repräsentieren. Die Kurven R_O, R_M und R_U repräsentieren jeweils den Radius in der Nähe der oberen Eintrittsöffnung der Zylinderbohrung (R_O), im axialen Mittelbereich der Zylinderbohrung (R_M) und in der Nähe des unteren Endes der Zylinderbohrung (R_U). In der dem Fachmann bekannten Weise sind die umlaufenden Messkurven des Umfangsschriebes jeweils auf eine konzentrisch zur Bohrungsachse liegende Nulllinie bezogen, die bei der Darstellung in Fig. 6 (a) jeweils gestrichelt gezeichnet ist. Für alle Messkurven dient der gleiche radiale Maßstab in Radialrichtung. Die Längsschriebe in Fig. 5 (b) zeigen jeweils den Verlauf der Mantellinien (parallel zur Bohrungsachse) in den ausgewählten Umfangsbereichen bei 0°, 90°, 180° und 270°.
Die Messergebnisse repräsentieren die randständige vierte Zylinderbohrung 204 in Fig. 1. Es ist erkennbar, dass die Bohrung in der Nähe der zylinderkopfseitigen Eintrittsseite (repräsentiert durch die Kurve R_O) eine annähernd 2-zählige Radialsymmetrie um die Bohrungsachse BA hat, bei der sich der größte Durchmesser schräg zur Zylinderebene im Bereich der Umfangswinkel 135° bzw. 315° ergibt, während sich senkrecht dazu (entsprechend Winkelpositionen 45° und 225°) ebenfalls lokale Maxima des Radius ausbilden, die jedoch bei kleineren absoluten Radiuswerten liegen. Der annähernd 2-zählig symmetrischen Grundform sind kleinere Radiusschwankungen überlagert, beispielsweise im Bereich um 180°.
Im axialen Mittelbereich der Bohrung (Kurve R_M) ergibt sich ein weitaus komplexerer Zusammenhang zwischen Umfangsposition und Bohrungsradius bzw. Bohrungsdurchmesser. Im gezeigten Beispiel ergeben sich in Umfangsrichtung etwa acht lokale Maxima des Innenradius, die durch lokale Minima des Innenradius getrennt sind. Tendenziell liegen die größten Radien weiterhin schräg zur Zylinderebene.
In dem der Zylinderkopfseite abgewandten Endbereich der Zylinderbohrung, repräsentiert durch die Kurve R_U, ist der Bohrungsquerschnitt ebenfalls unsymmetrisch, wobei jedoch die am zylinderkopfseitigen Ende noch angedeutete 2-zählige Radialsymmetrie nicht mehr dominiert und eine nahezu völlig irreguläre Bohrungsquerschnittsform vorherrscht.
In Axialrichtung der Bohrungsinnenwand ergeben sich ebenfalls erheblich Schwankungen des Bohrungsradius. Während entlang der Mantellinie bei 0° der Radius zum unteren Ende der Bohrung abnimmt, ist die Bohrungswand auf der gegenüberliegenden Seite (bei 180°) erheblich in Axialrichtung verzogen, so dass sich ein starkes Radiusminimum in der Nähe der Eingangsöffnung ergibt sowie im unteren Drittel, während im Mittelbereich der Radius maximal wird. Legt man dagegen einen Schnitt senkrecht zur Zylinderebene (bei 90° und 270°) so ergeben sich minimale Radien in der Nähe der oberen Eintrittsöffnung, während im unteren Drittel der Bohrungsradius ein lokales Maximum einnimmt.
Die auf diese Weise charakterisierbare, unsymmetrisch verzogene Bohrungsform entspricht im Beispielsfall einem Zylindrizitätsfehler ΔZ zwischen 30µm und 40µm. Diese komplex und unsymmetrisch verformte Bohrungsgeometrie wird sich bei Aufsetzen und Verschrauben eines Zylinderkopfes sowie Erwärmung des dadurch entstandenen Rumpfmotors in den Bereich der Betriebstemperaturen wieder zu einer weitgehend zylindrischen Bohrungsform verformen. Sie bildet somit annähernd eine Negativform der Deformationen im Betriebszustand.
Fig. 6 zeigt exemplarisch für zwei Axialpositionen des Zylinders (repräsentiert durch die Kurven R_O und R_M) in Fig. 6 (a) den hub- und drehwinkelabhängigen Radienverlauf der Bohrung und in Fig. 6 (b) den zugehörigen Verlauf des Kehrwertes 1N der Verschiebungsgeschwindigkeit V einer in Umfangsrichtung kurzhubig oszillierenden Schneidgruppe über den Drehwinkel ϕ, jeweils in den entsprechenden axialen Höhen. Die Schneidgruppe wird mit konstantem Anpressdruck (F = const) an die Innenfläche angepresst. Große Werte des Kehrwertes entsprechen einer langsamen Verschiebung und damit einem größeren Materialabtrag. In Fig. 6 (b) repräsentiert die gestrichelte Kurve V_O diejenige Variation des Kehrwertes der Verschiebungsgeschwindigkeit über den Drehwinkel, die erforderlich wäre, wenn ein Honwerkzeug, dessen oszillierende Schneidgruppe im oberen Endbereich der Zylinderbohrung in Umfangsrichtung verschoben wird, die Innenfläche bearbeitet. Die durchgezogene Linie V_M entspricht der zeitlichen Variation bzw. Winkelvariation, die im Mittelbereich der Bohrung (R_M) erforderlich wäre. Während die annähernd, aber nicht exakt 2-zählig radialsymmetrische Bohrungsquerschnittsform am oberen Ende im Wesentlichen durch eine Variation der Verschiebungsgeschwindigkeit mit zwei lokalen Minima und dazwischenliegenden lokalen Maxima (sowie einer kurzzeitigen Verlangsamung bei 180°) erreicht werden kann, erfordert das Formhonen im Mittelbereich der Bohrung (Kurve R_M) bei einer einzigen Umdrehung des Honwerkzeuges einen vielfachen, schnellen Wechsel zwischen Anstieg und Zurücknahme der Verschiebungsgeschwindigkeit, der zu einer Ausbildung von sechs bis acht lokalen Abtragsmaxima und lokalen Abtragsminima bei einer vollen Umdrehung führt. Wird bei der Honbearbeitung das Honwerkzeug axial mit langen Hüben bewegt und gleichzeitig um seine Werkzeugachse rotiert, so ergibt sich der tatsächliche zeitliche Verlauf der an einer Schneidgruppe wirksame Verschiebungsgeschwindigkeit (bzw. Abtragsleistungen) aus einer Überlagerung der hier zur Vereinfachung erläuterten Verläufe, wobei sich auch die starke Variation in Axialrichtung (Fig. 5(b)) in einen Beitrag zur Variation der Verschiebungsgeschwindigkeit umsetzt.
Nach der Durchführung des Formhonens kann die Zylinderbohrung mit Hilfe eines Formmesssystems gemessen werden. Eine eventuell noch vorhandene, gemessene Differenz der Ist-Form zur Soll-Form kann zur Korrektur der Bearbeitungsparameter in Abhängigkeit von Hublage und Drehwinkel genutzt werden. Insbesondere kann somit während und/oder nach einer formerzeugenden Honoperation eine Vermessung der Bohrungsform zur Ermittlung von Form-Istwerten durchgeführt werden und eine Differenz zwischen den Form-Iswerten und der Sollform kann zur Korrektur der Steuerung der materialabtragenden Bearbeitung verarbeitet werden. Durch diesen Regelkreis ist eine verbesserte Genauigkeit des Formhonprozesses erzielbar.
Es sind zahlreiche Varianten des Bearbeitungsverfahrens möglich, wobei unterschiedliche Typen von Honwerkzeugen und/oder unterschiedlich aufgebaute und/oder gesteuerte Honmaschinen genutzt werden können. Bei einer Variante der in Fig. 1 dargestellten Honmaschine werden zusätzliche Baugruppen in die Konstruktion eingefügt, um die der Verschiebungsbewegung überlagerte Schwingungsbewegung von Schneidgruppen zu erzeugen. Beispielsweise kann innerhalb der Spindel 120 ein Schwingungserzeuger eingebaut werden, der den das Honwerkzeug 150 tragenden Teil der Spindel von einem antriebsseitigen Teil der Spindel abkoppelt und eine Relativbewegung des Honwerkzeug tragenden Abschnittes gegenüber dem antriebsseitigen Abschnitt in Axialrichtung und/oder in Umfangsrichtung ermöglicht, um die Schwingungsbewegung der Schneidgruppe zu realisieren. Es ist auch möglich, innerhalb des Honwerkzeuges einen Schwingungserzeuger anzubringen, der die Schneidstoffkörper der Schneidgruppe relativ zum Werkzeugkörper oszillierend antreibt. In beiden Fällen muss zur Erzeugung der Schwingungsbewegung weniger Masse bewegt werden als in der oben beschriebenen Ausführungsform, so dass bei gleicher eingeleiteter Kraft größere Schwingungsfrequenzen möglich sind.
Außerdem ist es möglich, an Stelle des in Fig. 2 gezeigten Honwerkzeuges 250 andere Typen von Honwerkzeugen zu verwenden. Figur 7 zeigt hierzu beispielhaft ein Honwerkzeug 700 mit vier symmetrisch um den Umfang verteilten, gleichartigen Honleisten 760, die über ein einziges, gemeinsames Zustellsystem 770 gemeinsam betätigt werden. Es sind keine expandierbaren oder nicht-expandierbaren Führungsleisten vorhanden. Solche einfach aufgebauten Honwerkzeuge sind besonders dann verwendbar, wenn im Wesentlichen rotationssymmetrische Bohrungsformen ggf. mit in Axialrichtung stark variierenden Durchmesser, und/oder Bohrungsformen mit 4-zähliger Radialsymmetrie erzeugt werden sollen.
Das Honwerkzeug 800 in Fig. 8 ist ein System mit Doppelaufweitung, d.h. mit zwei unabhängig voneinander betätigbaren Zustellsystemen. Dabei werden vier gleichmäßig um den Umfang verteilten erste Honleisten 860 über ein erstes Zustellsystem 870 gemeinsam verstellt. Eine in Umfangsrichtung symmetrisch zwischen zwei der Honleisten 860 angeordneten Honleiste 810 wird über ein gesondertes zweites Zustellsystem 820 betätigt. Mit Hilfe der vier gleichartigen Schneidstoffkörper 860 kann bei geeigneter Ansteuerung der Bewegungsgeschwindigkeit des Honwerkzeuges beispielsweise eine dominierende 4-zählige Rotationssymmetrie der Bohrungsform erzeugt werden. Durch Ansteuerung des zweiten Aufweitsystems wird gleichzeitig die einzelne Honleiste 810 zugestellt, die dann noch einen gezielten lokalen Materialabtrag erzeugt, um beispielsweise eine Bohrungsform mit einer von einer 2-zähligen Radialsymmetrie abweichenden Geometrie zu erzeugen (vgl. z.B. Fig. 5). Beide Zustellsysteme sind unabhängig voneinander als Funktion von Hublage und Winkelposition des Honwerkzeuges ansteuerbar.
Bei einer anderen Ausführungsform ist an der der Honleiste 810 gegenüberliegenden Seite eine weitere Honleiste vorgesehen, die von dem zweiten Zustellsystem 820 betätigbar ist. Durch gemeinsame Zustellung der diametral gegenüberliegenden zweiten Honleisten als Funktion von Hublage und Winkelposition des Honwerkzeuges kann beispielsweise eine Ovalität erzeugt werden, die einer vierzählig symmetrischen Form überlagert sein kann.
Figur 9 zeigt schematisch ein Honwerkzeug 900, das als Mehrleistenhonwerkzeug ausgelegt ist. Auf einer Seite des Honwerkzeuges ist eine einzelne materialabtragende Honleiste 960 angeordnet. An der zur Werkzeugachse diametral gegenüberliegenden Seite sind zwei ebenfalls zustellbare, jedoch nicht-schneidende Führungsleisten 970 angeordnet, die bezüglich ihres Aufbaus im Wesentlichen den Führungsleisten 270 in Fig. 2 entsprechen können. Die einzelne Honleiste 960 und die nicht-schneidenden Führungsleisten 970 werden über eine gemeinsame Zustelleinrichtung 980 zugestellt. Bei der Bearbeitung nehmen die Führungsleisten 970 die Gegenkraft der von der Honleiste 960 erzeugten Bearbeitungskraft auf. Es ist auch möglich, ein Honwerkzeug mit einer einseitig wirkenden Honleiste zu verwenden, die ebenfalls von Führungsleisten abgestützt wird, die sich auf der gegenüberliegenden Seite befinden (ähnlich Fig. 9), die aber nicht ausgefahren (zugestellt) werden.
Eine nicht gezeigte Variante eines Honwerkzeuges mit Doppelaufweitung hat eine erste Schneidgruppe, die in einem ersten axialen Abschnitt des Honwerkzeuges wirksam ist, sowie mindestens eine zweite, gesondert zustellbare Schneidgruppe, die sich in Axialrichtung versetzt zur ersten Schneidgruppe befindet, beispielsweise oberhalb der ersten Schneidgruppe oder unterhalb der Schneidgruppe (in Axialrichtung gesehen). Es ist möglich, ein solches Honwerkzeug so anzusteuern, dass die unterschiedlichen, axial versetzten Schneidbereiche mit unterschiedlichen Aufweitkräften beaufschlagt werden, um dadurch in verschiedenen axialen Höhen der Bohrung unterschiedliche Abträge zu erreichen.
Eine weitere, nicht gezeigte Variante eines Honwerkzeuges mit Doppelaufweitung hat eine erste Schneidgruppe, die in einem ersten Umfangswinkelbereich des Honwerkzeuges wirksam ist, sowie mindestens eine zweite, gesondert zustellbare Schneidgruppe, die in einem in Umfangsrichtung versetzt zum ersten Umfangswinkelbereich liegenden zweiten Umfangswinkelbereich des Honwerkzeuges wirksam ist. Die Schneidleisten, die von diesen zwei Aufweitungen (bzw. Zustellsystemen) gesteuert werden, befinden sich somit an verschiedenen Winkelpositionen. Die Zustellkraft wird für beide Aufweitungen getrennt in Abhängigkeit von Winkelposition und Hublage gesteuert.
Soweit nicht anders angegeben, können die oben beschriebenen Verfahrensvarianten wahlweise mit konstanter Schwingungsamplitude oder mit zeitlich veränderlicher Schwungungsamplitude durchgeführt werden. Anhand der Fig. 10 bis 13 werden weitere Verfahrensvarianten beschrieben, bei denen die Schwingungsamplitude der Schwingungsbewegung mindestens einer Schneidgruppe innerhalb eines Bearbeitungszeitintervalles zwischen einem Maximalwert ϕ_MAX und einem Minimalwert ϕ_MIN variiert. Der Begriff "Schwingungsamplitude" beschreibt hier die jeweilige Auslenkung der Bewegung der periodisch oszillierenden Schneidgruppe aus einer Bezugsposition, die die Null-Lage der Schwingungsbewegung darstellt.
In Analogie zu Fig. 2 ist eine Zylinderbohrung 1003 gezeigt, die sich von einer oberen, zylinderkopfseitigen Eintrittsöffnung O über einen axialen Mittelbereich M bis zum unteren Endbereich U erstreckt. Die Querschnittsform der Bohrung in diesen Bereichen ist in Fig. 10 jeweils stark übertrieben mit einer durchgezogenen Linie für den oberen Bereich O, und gestrichelten Linien für den mittleren und unteren Bereich dargestellt (vgl. auch Fig. 5(a)). Diese gewünschte Soll-Form wird bei dem dargestellten Verfahren ausgehend von einer im Wesentlichen kreiszylindrischen Ausgangsform in der nachfolgend beschriebenen Weise erzeugt.
Bei dem Honprozess wird ein Honwerkzeug verwendet, welches vier um jeweils 90° umfangsversetzte Schneidgruppen aufweist, die in Fig. 10 durch einzelne Honleisten 1060 dargestellt sind. Die Breite der Honleisten in Umfangsrichtung kann sehr gering sein und beispielsweise eine Eingriffsbreite von 6mm oder weniger erzeugen. Es ist eine gemeinsame Zustelleinrichtung für alle Honleisten vorgesehen, bei anderen Ausführungsformen gibt es zwei gesonderte Zustelleinrichtungen für jeweils ein Paar diametral gegenüberliegender Honleisten.
Die Bewegungs-Steuerungseinrichtung der Honmaschine ist so konfiguriert, dass die Honspindel, die das Honwerkzeug antreibt, eine winkelbegrenzt oszillierende Rotationsbewegung um ihre Spindelachse ausführt, so dass das Honwerkzeug in eine in Umfangsrichtung oszillierende Bewegung versetzt wird. Die Schwingungsamplitude ϕ der Drehbewegung ist auf maximal 45° begrenzt, so dass jede Honleiste jeweils nur einen Umfangswinkelbereich von maximal 90° bearbeitet. Typische Schwingungsfrequenzen können beispielsweise im Bereich zwischen 1 Hz und 30 Hz liegen. Im Gegensatz zum klassischen Honen wird somit keine Rotationsbewegung der Honspindel mit kontinuierlicher, ggf mehrfacher Drehung um ihre Achse erzeugt. Die Null-Lage der Schwingungsbewegung in Azimutalrichtung bleibt unverändert (keine Rotation der Honspindel) Die Schneidgruppen werden mit konstantem Anpressdruck (F=const) an die Bohrungsinnenfläche 1030 angedrückt.
Der axiale Vorschub der Honspindel wird bei manchen Ausführungsformen so gesteuert, dass die in Umfangsrichtung gerichtete Geschwindigkeitskomponente der Schneidgruppen um ein Vielfaches größer ist als die in Axialrichtung (parallel zur Bohrungsachse BA) gerichtete Geschwindigkeitskomponente. Die hieraus resultierenden Bearbeitungsspuren an der Bohrungsinnenwand schließen demnach mit der Axialrichtung sehr große Winkel ein, typischerweise zwischen 70° und 90°. Diese Werte entsprechen sehr kleinen Honwinkeln im Bereich von maximal 40°. Bei anderen Ausführungsformen kann das Verhältnis der Geschwindigkeitskomponenten in Umfangsrichtung und in Axialrichtung anders sein, beispielsweise bis zu einem axialen Vorschub, dessen axiale Geschwindigkeitskomponente etwa gleich groß ist wie die in Umfangsrichtung verlaufende Geschwindigkeitskomponente. In diesem Fall können beispielsweise Honwinkel bis zu 90° erzeugt werden. Es ist auch möglich, dass die axiale Geschwindigkeitskomponente größer ist als die tangentiale (in Umfangsrichtung gerichtete) Geschwindigkeitskomponente.
Die Hubbewegung der Honspindel erzeugt eine Axialgeschwindigkeit bzw. Hubgeschwindigkeit v_AX der Schneidgruppen, die sich im Verlauf eines Hubes zeitlich verändert, und zwar von einer relativ geringen Axialgeschwindigkeit im Bereich der oberen Eintrittsöffnung kontinuierlich zu einer deutlich höheren Axialgeschwindigkeit in der Nähe des unteren Endes U. Dies wird durch die strichpunktierte Linie in dem Diagram von Fig. 11 sowie an der linken Seite der in Fig. 10 gezeigten Bohrung dargestellt. Da die Bohrungsinnenfläche im Bereich relativ hoher Axialgeschwindigkeit weniger lange einem Bearbeitungseingriff durch die Honsteine ausgesetzt ist, erzeugt die variierende Hubgeschwindigkeit eine Variation der jeweiligen Einwirkzeit t_W der Honleisten in den unterschiedlichen Axialbereichen derart, dass die Einwirkzeit in Bereichen relativ hoher Hubgeschwindigkeit im unteren Endbereich der Bohrung relativ gering ist, während sie zum oberen Endbereich O kontinuierlich zunimmt. Dies ist anhand der gestrichelten Kurve t_W in Fig. 11 sowie am linken Rand der Bohrung in Fig. 10 schematisch dargestellt.
Dem axialen Vorschub der Honspindel mit veränderlicher Hubgeschwindigkeit ist die in Umfangsrichtung oszillierende Bewegung überlagert, für deren zeitlichen Verlauf unterschiedliche Varianten möglich sind. Anhand Fig. 12 werden verschiedene Varianten dargestellt. Gemäß Variante I nimmt die Schwingungsamplitude im Laufe der Zeit t innerhalb eines Änderungszeitintervalls Δt kontinuierlich von einem Maximalwert ϕ_MAX bis zu einem Minimalwert ϕ_MIN > 0 oder ϕ_MIN = 0 ab. Gemäß Variante II wechselt die Schwingungsamplitude innerhalb eines Änderungszeitintervalls Δt mehrfach periodisch zwischen Schwingungen mit relativ großer Amplitude (bei oder nahe ϕ_MAX) und Schwingungen mit relativ kleiner Schwingungsamplitude (bei oder nahe 0°). Auch andere Verläufe, beispielsweise ein zick-zack-förmiger Zeitverlauf der Schwingungsamplitude, oder eine kontiniuerliche oder diskrete Zunahme der Schwingungsamplitude sind möglich. Innerhalb eines Änderungszeitintervalls Δt ist somit eine einmalige kontinuierliche oder diskontinuierliche Abnahme oder Zunahme der Schwingungsamplitude genauso möglich wie ein einfacher oder mehrfacher Wechsel zwischen abnehmender und zunehmender Schwingungsamplitude.
Durch geeignete Anpassung der Dauer des Änderungszeitintervalls Δt der Schwingungsamplitudenänderung an die axiale Vorschubgeschwindigkeit v_AX des Honwerkzeuges sind nun unterschiedliche Möglichkeiten gegeben, Bohrungen mit definiert unrundem Bohrungsquerschnitt zu honen. Diese Varianten können über ein geeignetes Verhältnis zwischen der Hubdauer t_H für einen einzigen Hub und dem Änderungszeitintervall Δt für die Änderung der Schwingungsamplitude eingestellt werden.
Bei einer Verfahrensvariante ist das Änderungszeitintervall Δt, innerhalb dessen die Schwingungsamplitude kontinuierlich (wie in Variante I) oder schrittweise einmal von einem Maximalwert zu einem Minimalwert abnimmt (oder zunimmt), deutlich größer als die für einen einzigen Axialhub erforderliche Hubdauer t_H. In diesem Fall können beispielsweise ein bis zwei oder mehr Hübe zunächst mit relativ großen Schwingungsamplituden nahe oder bei der maximalen Schwingungsamplitude durchgeführt werden, bevor die Schwingungsamplitude kontinuierlich oder in diskreten Schritten weiter reduziert wird. Auf diese Weise wird zunächst auf der maximalen Umfangsbreite von beispielsweise 60° bis 90° mit einem oder mehreren Hüben auf der vollen Länge der Bohrung abgetragen, wobei jedoch die Hubgeschwindigkeit im oberen Bereich der Bohrung langsamer ist als im unteren Bereich. Dadurch ergibt sich im oberen Bereich bereits ein stärkerer Abtrag. Durch diskrete oder kontinuierliche Reduzierung der Schwingungsamplitude wird nun die Eingriffsbreite der in Umfangsrichtung oszillierenden Honleisten nach und nach reduziert, so dass sukzessive nur noch die weiter innen liegenden Bereiche einer Ausbeulung bearbeitet werden. Auch hier ergibt sich in Kombination mit der in Axialrichtung variierenden Hubgeschwindigkeit im oberen Teil der Bohrung ein stärkerer Materialabtrag als im unteren Teil der Bohrung. Ausgehend von einer im Wesentlichen ideal kreiszylindrischen Bohrung kann sich auf diese Weise die in Fig. 10 schematisch gezeigte Bohrungsgeometrie ergeben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass im unteren Bereich der Bohrung, wo insgesamt nur relativ kurze Gesamtbearbeitungszeiten der Honleisten vorlagen, der Bohrungsquerschnitt weiterhin kreiszylindrisch ist, während sich zum oberen Ende der Bohrung hin eine immer stärker ausgeprägte Unrundheit vierter Ordnung mit vier um jeweils 90° umfangsversetzten "Ausbeulungen" ergibt.
Bei einer anderen Verfahrensvariante variiert die Schwingungsamplitude während eines einzigen Axialhubes einmal oder mehrfach zwischen maximaler und minimaler Schwingungsamplitude. In diesem Fall ist somit das Änderungzeitintervall Δt in der Größenordnung der Hubdauer t_H oder kleiner als die Hubdauer. Beispielsweise kann die Schwingungsamplitude gemäß Variante II in Fig. 12 mehrfach zwischen Maximalwert und Minimalwert variieren, während sich das Honwerkzeug nur sehr langsam in Axialrichtung bewegt. Auf diese Weise kann im oberen Eintrittsbereich der Bohrung bei langsamer axialer Vorschubgeschwindigkeit (oder zeitweise unterbrochener axialer Vorschub) die in diesem Bereich gewünschte unrunde Bohrungsform mit stark ausgeprägten Ausbeulungen erzeugt werden. Bei unverändertem Wechsel der Schwingungsamplituden kann die Geschwindigkeit des Axialvorschubes dann nach und nach zunehmen, so dass immer weniger Perioden des Schwingungsamplitudenwechsels an einer vorgegebenen Axialposition der Bohrung vorkommen. Dementsprechend wird die Stärke der Ausprägung der Asubeulungen von der oberen Öffnung O zum unteren Ende U der Bohrung sukzessive geringer. Im Bereich des unteren Endes kann der Axialvorschub z.B. bei geeignetem Überlauf des Honwerkzeuges so hoch sein, dass die variierende Schwingungsamplitude zu keiner merklichen Abweichung von der kreisrunden Form führt.
Es ist möglich, die Bewegungs-Steuereinrichtung so zu konfigurieren, dass das Honwerkzeug eine in Axialrichtung oszillierenden Schwingungsbewegung ausführt, deren Schwingungsamplitude veränderlich ist. In einem solchen Fall variiert somit der axiale Hub des Honwerkzeuges während der Bearbeitung der Bohrung. Dies kann beispielsweise bei der Erzeugung einer unrunden Bohrung, wie sie in Fig. 10 schematisch dargestellt ist, dazu genutzt werden, dass der untere Bereich U der Bohrung von keinem oder nur von wenigen Axialhüben des Honwerkzeuges erreicht wird, während die Anzahl aufeinanderfolgender Bearbeitungseingriffe des Honwerkzeuges zu den näher bei der oberen Öffnung O liegenden Axialbereichen immer mehr zunimmt. Die axiale Schwingungsbewegung mit veränderlicher Amplitude kann mit variierender Hubgeschwindigkeit oder mit kontinuierlicher Hubgeschwindigkeit durchgeführt werden.
Bei der anhand von Fig. 13 erläuterten Verfahrensvariante wird an der Zylinderbohrung 1303 in einem zwischen der oberen Eintrittsöffnung und dem unteren Ende der Zylinderbohrung liegenden Zwischenbereich eine Durchmessererweiterung 1305 in Form einer Ausbauchung erzeugt, die dazu führt, dass im axialen Zentralbereich der Ausbauchung der Durchmesser der Bohrung 1303 maximal wird und in beide Richtungen zu den Enden der Bohrung kontinuierlich bis auf den in den Endbereichen vorliegenden Durchmesser abfällt. Zur Erzeugung dieser Ausbauchung wird das Honwerkzeug in eine Axialbewegung mit zeitlich variierender Hubgeschwindikgeit v_AX versetzt, die im Zentralbereich der Ausbauchung ein Minimum hat. Auf diese Weise wird die lokale Bearbeitungsdauer im Bereich der Ausbauchung im Vergleich zu axialen Nachbarbereichen besonders groß, so dass sich ein verstärkter Materialabtrag ergibt, der zur Erzeugung der Ausbauchung führt. Die Schwingungsbewegung kann ausschließlich oder überwiegend in Umfangsrichtung erfolgen. Die Ausbeulung kann auch mit einer Schwingungsbewegung erzeugt werden, die Bewegungskomponenten in beiden Richtungen (axial und in Umfangsrichtung) hat. Unabhängig von der Art der Schwingungsbewegung ist es zweckmäßig, wenn die Schwingungsbewegung jeweils mit der Maximalamplitude beginnt und schrittweise oder kontinuierlich zu kleineren Schwingungsamplituden reduziert wird.
Das mit Hilfe dieser oder anderer Verfahrensvarianten durchführbare Formhonen kann nach Maßgabe von vor dem Honprozess festgelegten Steuerparametern erfolgen. Bei einer anhand von Fig. 10 erläuterten Ausführungsform ist jedoch eine in-Prozess-Regelung des Honprozesses nach Maßgabe von mehreren während des Honens zeitgleich erfassten Durchmesser-Messwerten vorgesehen. Hierzu hat die Honmaschine ein schematisch gezeigtes, pneumatisches Messsystem 1070 zur Bestimmung des Bohrungsdurchmessers während der Bearbeitung in zwei um 45° umfangsversetzten Messrichtungen. Das pneumatische Messsystem (Luftmesssystem) umfasst ein erstes Paar von Meßdüsen 1071A, 1071B, die am Honwerkzeug diametral gegenüberliegend zwischen den umfangsversetzten Honleisten 1060 angeordnet sind. Die Messdüsen 1072A, 1072B, eines zweiten Paares von Messdüsen sind um 45° umfangsversetzt zu den ersten Messdüsen. Jedes Paar von Messdüsen ist über eine Druckleitung an einen pneumatisch/elektrischen Messwandler angeschlossen, der elektrische Signale liefert, aus denen der Durchmesser in der jeweiligen Messrichtung ableitbar ist. Die Paare von Messdüsen sind an separate Messwandler angeschlossen, so dass die Durchmesser in der durch das erste Paar von Messdüsen definierten ersten Messrichtung M1 und in der durch das zweite Paar von Messdüsen definierten Messrichtung M2 unabhängig voneinander erfasst werden können. Bei der gezeigte Orientierung des Honwerkzeuges wird dementsprechend in der ersten Messrichtung M1 ein größerer Durchmesser angezeigt als in der azimutal versetzten zweiten Messrichtung. Die Durchmesser-Messwerte werden in einer zur Steuereinrichtung der Honmaschine gehörenden Auswerteeinrichtung 1075 verarbeitet und mit Soll-Werten für die entsprechenden Durchmesser verglichen. Sobald sich eine über einer Toleranzschwelle liegende Abweichung von einem Soll-Messwert ergibt, wird mindestens ein Honparameter verändert, um den Honprozess in der Folge so zu optimieren, dass das gewünschte Fertigmaß innerhalb der zulässigen Toleranzen erreicht wird. Somit ist beim Formhonen ein geregelter Honprozess möglich.
Grundsätzlich kann die Messung des Durchmessers in mindestens zwei in Umfangsrichtung versetzen Messrichtungen und/oder an mindestens zwei in Axialrichtung versetzten Messpositionen zur Erzeugung eines ersten und mindestens eines zweiten Durchmessersignals während der Bearbeitung, nach der Bearbeitung oder sowohl während als auch nach der Bearbeitung vorgenommen werden.
Bei manchen Ausführungsformen ist es möglich, ausgehend von einer Bohrung mit idealer kreiszylindrischer Form innerhalb von weniger als 60 Sekunden eine gewünschte Soll-Form mit der anhand von Fig. 10 schematisch erläuterten Unrundheit vierter Ordnung zu erzeugen, deren Ausmaß von der zylinderkopfseitigen Offnungsseite bis zur Unterseite kontinuierlich abnimmt und insgesamt einen Zylindrizitätsfehler von mehr als 10µm ergibt.
In der Regel werden die materialabtragenden Bearbeitungsschritte zur Erzeugung der ggf. komplexen, unrunden und ggf. unsymmetrischen Bohrungsformen mit Hilfe eines Honwerkzeuges (oder mit Hilfe mehrerer nacheinander verwendeter Honwerkzeuge) erzeugt, wobei die Schneidgruppe dieser Honwerkzeuge für einen substantiellen Materialabtrag ausgelegt sind, um die Makroform der Bohrung in der gewünschten Weise zu erzeugen. Dies führt dazu, dass die Mikrostruktur der bearbeiteten Bohrungsinnenfläche möglicherweise nicht den für den Betrieb vorgegebenen Vorgaben hinsichtlich Oberflächenrauheit und/oder Oberflächenstruktur genügt. Daher wird bei bevorzugten Verfahren nach den formgebenden Bearbeitungsschritten mindestens eine im Wesentlichen formneutrale, d.h. die Makroform der Bohrung im Wesentlichen nicht verändernde Bearbeitungsoperation durchgeführt. Dabei können Honwerkzeuge mit entsprechend an die Oberflächenanforderung angepasster Körnung der Schneidstoffkörper und/oder Bürst- oder Plateauhonwerkzeuge und/oder andere die Oberflächenstruktur verändernde Bearbeitungswerkzeuge eingesetzt werden, beispielsweise berührungslos arbeitende Werkzeuge, wie Laser und/oder Wasserstrahlerzeuger, die die Oberflächenstruktur der Bohrungsinnenfläche ohne wesentliche Beeinflussung der Makroform verändern können.
Beispielsweise kann eine "Plateauhonbearbeitung" durchgeführt werden, um die nach der formgebenden Honbearbeitung noch vorliegenden Spitzen des Rauheitsprofiles zu schneiden und dadurch den Traganteil der Oberfläche zu erhöhen. Bei der im Wesentlichen formneutralen Bearbeitungsoperation kann die Innenfläche der Bohrung z.B. mit einer Vielzahl von relativ zueinander beweglichen, elastisch gelagerten Schneidstoffkörpern bearbeitet werden, die in Axialrichtung des Honwerkzeuges eine maximale Ausdehnung von weniger als 10 % der Länge des Schneidbereiches des Honwerkzeuges haben. Ein solches stark segmentiertes Plateauhonwerkzeug ist in der Lage, die gewellte Oberfläche einer gezielt unrund bearbeiteten Bohrung mit einem Zylindrizitätsfehler von deutlich über 10 µm weitgehend gleichmäßig zu bearbeiten. Es kann durch Honleistensegmente gebildete Schneidstoffkörper haben, die auf einem in sich elastischen Grundkörper, beispielsweise einer Platte aus einem gummiartigen Werkstoff, aufgebracht sind. Dieser in sich elastische Grundkörper ist auf dem eigentlichen Grundmaterial der Honleiste, beispielsweise einem Träger aus Stahl, Kupfer oder dergleichen durch Verkleben oder auf andere Weise aufgebracht. Die Honleistensegmente können z.B. eine Ausdehnung von 10mm x 10mm haben. Damit ist bei der Plateauhonbearbeitung eine flächige Anlage der Segmente an die formgehonte Bohrung abgesichert, da sich die Schneidstoffkörper unter lokaler elastischer Verformung des elastischen Grundkörpers dem welligen Verlauf der Bohrungsinnenfläche anpassen können. Eine Abrundung von harten Kanten, die einen Sprung in der zweiten Ableitung im Formschrieb erzeugen würden, am Übergang des Formbereiches zum zylindrischen Bereich kann hier sogar gewünscht sein.
Da die vorbearbeitete Innenfläche auch bei stark asymmetrisch deformierten, nicht-kreiszylindrischen Bohrungsformen eine sehr gleichmäßige Rauheitsverteilung haben kann, ist auch nach dem letzten Bearbeitungsschritt eine gleichmäßige Oberflächenstruktur gewährleistet.

Claims

Verfahren zum Honen der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Honen einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Zylinderblöcken für Brennkraftmaschinen, bei dem ein Honwerkzeug innerhalb der Bohrung bewegt wird und mindestens eine an dem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erzeugung einer Schwingungsbewegung der Schneidgruppe im Wesentlichen parallel zur Innenfläche nach Maßgabe mindestens eines Schwingungsparameters derart, dass ein wesentlicher Anteil eines durch die Schneidgruppe verursachten Materialabtrages aus der Schwingungsbewegung der Schneidgruppe resultiert;

Steuerung der Schwingungsbewegung zur Erzeugung eines über die Innenfläche lokal variierenden Materialabtrages an der Innenfläche zur Erzeugung einer vorgegebenen Sollform der Bohrung.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Schwingungsbewegung eine Schwingungsfrequenz von mindestens 1 Hz hat, wobei die Schwingungsfrequenz vorzugsweise zwischen 2 Hz und 10 Hz liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Schwingungsbewegung derart erzeugt wird, dass die Schwingungsbewegung innerhalb des Änderungszeitintervalls eine zeitlich veränderliche Schwingungsamplitude hat, wobei die Schwingungsamplitude vorzugsweise innerhalb eines Änderungszeitintervalls von einer maximalen Schwingungsamplitude zu einer minimalen Schwingungsamplitude kontinuierlich oder schrittweise reduziert wird, insbesondere ohne nachfolgende Erhöhung der Schwingungsamplitude.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin zusätzlich zu der mindestens einen Schwingungsbewegung eine der Schwingungsbewegung überlagerte Verschiebungsbewegung der Schneidgruppe entlang der Innenfläche nach Maßgabe mindestens eines Verschiebungsparameters erzeugt und die Verschiebungsbewegung so gesteuert wird, dass in Verbindung mit der überlagerten Schwingungsbewegung der über die Innenfläche lokal variierende Materialabtrag erzielt wird, wobei die Verschiebungsbewegung vorzugsweise aperiodisch ist und/oder eine im Vergleich zur Schwingungsbewegung sehr langsame Veränderung der Verschiebungsrichtung und/oder der Verschiebungsgeschwindigkeit erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine Hubgeschwindigkeit des Honwerkzeuges als Funktion der Hublage und/oder eine Drehgeschwindigkeit des Honwerkzeuges als Funktion der Drehlage gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Honwerkzeug in eine in Umfangsrichtung oszillierende Schwingungsbewegung mit veränderlicher Schwingungsamplitude versetzt wird, die eine maximale Schwingungsamplitude von höchstens 90° hat, und eine in Umfangsrichtung der Bohrung gerichtete Geschwindigkeitskomponente der Schneidgruppe erzeugt wird, die mindestens so groß ist wie eine in Axialrichtung der Bohrung gerichtete Geschwindigkeitskomponente, wobei vorzugsweise das Honwerkzeug während der in Umfangsrichtung mit veränderlicher Schwingungsamplitude erfolgenden Schwingungsbewegung mit einer zeitlich veränderlichen Hubgeschwindigkeit in Axialrichtung verschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, worin die Verschiebungsbewegung zu einem einmaligen Durchlaufen des Werkzeuges durch die Bohrung in Axialrichtung führt und der Verschiebungsbewegung eine Schwingungsbewegung mit veränderlicher Schwingungsamplitude des Werkzeuges in Umfangsrichtung überlagert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Honwerkzeug keine kontinuierliche Rotation ausführt, so dass die Schwingungsbewegung bezogen auf die Umfangsrichtung um eine feste Null-Lage erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Honwerkzeug mit einem einzigen Paar von diametral gegenüberliegenden Schneidgruppen verwendet wird und das Honwerkzeug in eine in Umfangsrichtung der Bohrung oszillierende Schwingungsbewegung mit veränderlicher Schwingungsamplitude versetzt wird, die vorzugsweise eine maximale Schwingungsamplitude von höchstens 90° hat, wobei vorzugsweise eine Bohrung mit ovaler Bohrungsform erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin ein Honwerkzeug mit vier um jeweils 90° umfangsversetzten Schneidgruppen verwendet wird und das Honwerkzeug in eine in Umfangsrichtung der Bohrung oszillierende Schwingungsbewegung mit veränderlicher Schwingungsamplitude versetzt wird, die vorzugsweise eine maximale Schwingungsampliude von höchstens 45° hat, wobei vorzugsweise in einem Bohrungsabschnitt der Bohrung eine nicht-kreiszylindrische Querschnittsform mit annähernd 2-zähliger Radialsymmetrie und vier jeweils um 90° umfangsversetzten Ausbeulungen der Bohrungsinnenwand erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Honwerkzeug innerhalb eines vorgebbaren Bearbeitungszeitintervalles in eine in Axialrichtung kurzhubig um eine vorgebbare Axialposition oszillierende Schwingungsbewegung mit veränderlicher Schwingungsamplitude versetzt wird, die vorzugsweise eine maximale Axialamplitude von zwischen 1 % und 50% der Werkzeuglänge hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges zur Erzeugung einer Axialbewegung des Honwerkzeuges im wesentlichen parallel zur Bohrungsachse der Bohrung und eine Steuerung der Schwingungsbewegung und der Verschiebungsbewegung einer einseitig an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Hublage und/oder der Winkelposition des Honwerkzeuges.
Verfahren nach Anspruch 12, worin ein Honwerkzeug verwendet wird, welches einen Satz von um den Umfang des Honwerkzeuges verteilten Führungsleisten zur axialen Führung des Honwerkzeuges in der Bohrung umfasst, die vorzugsweise unabhängig von der Schneidgruppe in Richtung auf die Innenfläche der Bohrung zustellbar sind, wobei die im Wesentlichen starre Führung der Axialbewegung dadurch erreicht wird, dass die Führungsleisten während der Bewegung des Honwerkzeuges in der Bohrung an die Innenfläche der Bohrung angedrückt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin ein Honwerkzeug verwendet wird, das eine erste Schneidgruppe, die in einem ersten Umfangswinkelbereich des Honwerkzeuges wirksam ist, sowie mindestens eine zweite, gesondert zustellbare Schneidgruppe hat, die in einem in Umfangsrichtung versetzt zum ersten Umfangswinkelbereich liegenden zweiten Umfangswinkelbereich des Honwerkzeuges wirksam ist, wobei die Zustellkraft für beide Schneidgruppen getrennt in Abhängigkeit von Winkelposition und Hublage des Honwerkzeuges gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Schneidgruppe mit einer im wesentlichen konstanten Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin an der Bohrung Formabweichungen erzeugt werden, die einem Zylindrizitätsfehler ΔZ von mehr als 10 µm entsprechen, wobei der Zylindrizitätsfehler ΔZ vorzugsweise bei mehr als 20 µm, insbesondere zwischen 20 µm und ca. 60 µm liegt, wobei der Zylindrizitätsfehler definiert ist als ΔZ=(D_A-D_I)/2, wobei D_A der Durchmesser eines die Innenfläche der Bohrung außen berührenden Zylinders und D_I der Durchmesser eines die Innenfläche der Bohrung innen berührenden Zylinders ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Messung des Durchmessers der Bohrung während der Bearbeitung in mindestens zwei in Umfangsrichtung versetzten Messrichtungen und/oder an mindestens zwei in Axialrichtung versetzten Messpositionen zur Erzeugung eines ersten und mindestens eines zweiten Durchmessermesssignals.
Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Steuerung der Honbearbeitung nach Maßgabe der mindestens zwei Durchmessermesssignale, wobei vorzugsweise die Schwingungsamplitude und/oder die Änderung der Schwingungsamplitude und/oder die Frequenz der Schwingung und/oder mindestens ein Verschiebungsparameter und/oder die Flächenpressung als Variable während der Bearbeitung verändert wird.
Honmaschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18, die eine Bewegungs-Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bewegung mindestens einer an einem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Hublage und/oder der Winkelposition des Honwerkzeuges in einer Bohrung hat, wobei die Bewegungs-Steuerungseinrichtung zur Erzeugung einer Schwingungsbewegung der Schneidgruppe im wesentlichen parallel zu einer Innenfläche der Bohrung nach Maßgabe mindestens eines Schwingungsparameters konfiguriert ist, wobei die Schwingungsbewegung eine Schwingungsfrequenz von mindestens 1 Hz hat.
Honmaschine nach Anspruch 18, worin die Schwingungsfrequenz zwischen 2 Hz und 30 Hz liegt.
Honmaschine nach Anspruch 19 oder 20, worin die Bewegungs-Steuerungseinrichtung weiterhin so konfiguriert ist, dass sie eine Einstellmöglichkeit für einen Amplitudenänderungsparameter der Schwingungsamplitude enthält, insbesondere für die maximale und minimale Schwingungsamplitude und einen zeitlichen Verlauf der Veränderung der Schwingungsamplitude während eines Änderungszeitintervalles.
Honmaschine nach einem der Ansprüche 19 bis 21, worin Bewegungs-Steuerungseinrichtung weiterhin zur Erzeugung einer der Schwingungsbewegung überlagerten Verschiebungsbewegung der Schneidgruppe entlang der Innenfläche der Bohrung nach Maßgabe mindestens eines Verschiebungsparameters konfiguriert ist, wobei vorzugsweise zur Einstellung einer lokal unterschiedlichen Werkstoffabtrennung sowohl die Hub- und/oder Umfangsgeschwindigkeit von langhubigen Verschiebungsbewegungen, als auch die Hub- und/oder Umfangsgeschwindigkeit von im Vergleich dazu kurzhubigeren Schwingungsbewegung jeweils in Abhängigkeit von der Hub- und Winkellage des Honwerkzeuges separat einstellbar sind.
Honmaschine nach einem der Ansprüche 19 bis 22, gekennzeichnet durch ein Meßsystem zum Messen des Durchmessers der Bohrung während der Bearbeitung in mindestens zwei in Umfangsrichtung versetzten Messrichtungen und/oder an mindestens zwei in Axialrichtung versetzten Messpositionen zur Erzeugung eines ersten und mindestens eines zweiten Durchmesser-Messsignals, worin die Bewegungs-Steuerungseinrichtung vorzugsweise als Regelungseinrichtung konfiguriert ist, um die Honbearbeitung nach Maßgabe der mindestens zwei Durchmessermesssignale zu steuern.