EP2277661A1 - Verfahren zum Honen von Bohrungen sowie Honwerkzeug hierfür - Google Patents

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EP2277661A1
EP2277661A1 EP10010545A EP10010545A EP2277661A1 EP 2277661 A1 EP2277661 A1 EP 2277661A1 EP 10010545 A EP10010545 A EP 10010545A EP 10010545 A EP10010545 A EP 10010545A EP 2277661 A1 EP2277661 A1 EP 2277661A1
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EP
European Patent Office
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honing
bore
tool
shape
cutting
Prior art date
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EP10010545A
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English (en)
French (fr)
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EP2277661B1 (de
Inventor
Uwe-Peter Weigmann
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Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Original Assignee
Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
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Publication date
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    • B24B33/02—Honing machines or devices; Accessories therefor designed for working internal surfaces of revolution, e.g. of cylindrical or conical shapes
    • B24B33/022—Horizontal honing machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B24B33/02—Honing machines or devices; Accessories therefor designed for working internal surfaces of revolution, e.g. of cylindrical or conical shapes
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    • B24B33/088—Honing tools for holes having a shape other than cylindrical
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    • B24B33/10—Accessories
    • B24B33/105—Honing spindles; Devices for expanding the honing elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/02—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation according to the instantaneous size and required size of the workpiece acted upon, the measuring or gauging being continuous or intermittent

Definitions

  • the invention relates to a method for honing the inner surface of a bore in a workpiece, in particular for honing a cylinder surface in the manufacture of engine blocks for internal combustion engines. Furthermore, the invention relates to a honing tool which is particularly suitable and configured for carrying out the method.
  • the European patent application EP 1 321 229 A1 describes a method for producing a bore, which has an initial shape in the unloaded state and in the operating state a deviating from the initial shape desired shape.
  • the method includes determining the deformation of a hole with a desired shape in the operating state. By means of the desired shape and the determined deformation, the initial shape is determined and the bore is brought by a machining process in the initial shape.
  • the initial shape produced by the method should assume the desired nominal shape in the operating state.
  • the desired shape is cylindrical, while the starting shape has a substantially circular cylindrical portion, a substantially elliptical portion and an intermediate transition portion.
  • Form honing is explained using the example of deformed cylinder blocks, in which the cylinder bores have a four-fold symmetric out-of-roundness of fourth order, ie a bore shape with 4-fold radial symmetry with respect to the bore axis, have.
  • This non-circular bore shape is achieved by controlling the feed force or the contact pressure of a simply expanding honing tool on the stroke and the rotation angle.
  • the invention provides a method having the features of claim 1 and a honing tool having the features of claim 13.
  • a honing tool is axially movable within the bore and driven to rotate about its tool axis and attached to the honing tool cutting group with at least a cutting material body for material-removing machining of the inner surface is pressed with a feed force to the inner surface.
  • the invention there is a substantially rigid guidance of the axial movement of the honing tool for generating an axial movement of the honing tool substantially parallel to the bore axis of the bore and there is a temporally asymmetric control of the feed force of a mounted on the honing tool cutting group in dependence on the stroke position and / or the angular position of the honing tool performed such that the bore receives a non-circular cylindrical bore shape at least in an axial bore portion.
  • a shape of the cylinder bore should be created which, in the mounted and operating condition of the engine, results in a minimal error in cylinder shape (cylindricity error).
  • the negative shape of the defect created by the deformations generated during assembly and during operation should be generated by honing and thus maintained.
  • stiffness and thermal deformation are present in structurally nonuniform workpieces e.g. by wall thickness differences and by different connections of the cylinder liners to the engine-internal cooling system o. The like. Not symmetrical. Therefore, for the ideal imaging of the negative mold a honing process is required, which allows the creation of any, usually asymmetrical bore shape.
  • the invention overcomes this limitation.
  • the essentially rigid guidance of the axial movement of the honing tool in conjunction with the control of the feed force of the cutting group attached to the honing tool ensures that this cutting group effects a removal of material in its pressure angle range, without necessarily leading to a comparable removal of material on the diametrically opposite side Bore inside surface leads.
  • the opposing force counteracting the contact pressure of the cutting group is not applied by material-removing cutting body, but by the substantially rigid guidance of the axial movement of the honing tool, which prevents dipping of the honing tool transverse to the tool axis in one-sided pressing of the cutting material body to the bore inner surface.
  • the honing tool has only a single cutting group whose cutting material body (one or more) are all arranged on one side of the honing tool. It is also possible to provide a plurality of cutting groups which can be controlled independently of one another and, if appropriate, can also be arranged on diametrically opposite sides of the honing tool. If cutting groups are arranged on opposite sides, at any given time, only on one of the opposite sides should a cutting group be in material-removing engagement with the bore inner wall while the cutting group located on the opposite side is relieved of pressure and thus does not or no substantial material removal ,
  • the complex, non-circular and possibly asymmetrical bore shape is produced by honing, starting from a bore shape produced by a pre-machining step.
  • this shaping by honing does not lead to the surface structure desired for the inner surface of the bore, which decisively influences the tribological properties of the inner surface.
  • at least one substantially shape-neutral (ie, the macro-shape of the bore not substantially changing) machining operation for processing near-surface areas of the inner surface is performed.
  • the inner surface is preferably machined with a plurality of relatively moveable, elastically mounted cutting material bodies in the substantially dimensionally neutral machining operation, which has a maximum extent of less in the circumferential direction of the honing tool than 3% of the effective range of the honing tool.
  • the cutting material body can also be very small in the axial direction, for example, their axial length may be less than 10% of the honing tool length.
  • a honing tool which is particularly suitable for performing the shape-neutral machining operation in the method, has a tool body defining a tool axis, a cutting group attached to the tool body having at least one cutting material body for machining the inner surface, and a cutting group associated therewith Cutting group feed system for exerting a force acting radially to the tool axis feed force on the cutting material body of the cutting group.
  • the cutting group has a plurality of relatively movable, elastically mounted cutting bodies, which have in the axial direction of the honing tool a maximum extension of less than 10% of the length of the cutting area of the honing tool and / or in the circumferential direction of the honing tool a maximum Extension of less than 3% of the effective extent of the honing tool have.
  • bores are produced with a bore shape that deviates significantly from a relative to the bore axis two-fold radially symmetrical shape.
  • the shape deviations from a 2-fold radially symmetrical shape relative to the bore axis correspond to a cylindricity error of significantly more than 10 .mu.m, the cylindricity error preferably being more than 20 .mu.m, in particular between 20 .mu.m and about 60 .mu.m.
  • the cylindricity error is described here by the cylinder shape tolerance.
  • the associated tolerance zone becomes determined by two to the bore axis and mutually coaxial, the bore inner wall inside or outside touching cylinder, wherein the radial distance between the two cylinders is a measure of the cylinder quality.
  • ⁇ Z (D A -D I ) / 2, where D A is the diameter of the outer bore contacting cylinder and D I is the diameter of the bore bore internally contacting cylinder.
  • the honing tool is supported for substantially rigid guidance of the axial movement within the bore in an axially slidable manner and substantially immovably transversely to the tool axis. This makes it possible to dispense with outside of the workpiece to be arranged guide devices.
  • a honing tool is used for this purpose, which comprises a set of distributed around the circumference of the honing tool guide rails for axial guidance of the honing tool in the bore, which are preferably fed independently of the cutting group in the direction of the inner surface of the bore, wherein the substantially rigid guidance of the axial movement is achieved in that the guide rails are pressed during the movement of the honing tool in the bore to the inner surface of the bore.
  • the guide rails center the honing tool within the bore.
  • the guide rails are preferably designed so that they generate little or no material removal, which is referred to herein as "substantially non-cutting guide rails".
  • the guide strips can at least in the coming into contact with the inner surface of the bore areas of a plastic, rubber, an elastomer of suitable hardness (eg Vulkollan®), a metal, a hard metal or a Ceramics exist or it can be honing stones with a high cutting material content.
  • the substantially rigid guidance of the axial movement of the honing tool is attained in that the honing tool is guided axially immovably outside the bore of the workpiece and substantially immovably transversely to the tool axis.
  • a one-sided guide exclusively on the inlet side of the bore a one-sided guide only on the inlet side gegenübexcellent outlet side of the bore (for through holes), or provided a two-sided guide both on the inlet side, as well as on the gegenübrace outlet side be.
  • a rigidly against transverse load coupling of the honing tool to a rigidly guided against transverse load honing spindle may possibly also be sufficient to ensure the rigid guidance of the axial movement of the honing tool. Then possibly can be completely dispensed with guide elements in the field of honing tool.
  • the exclusively external guidance of the axial movement of the honing tool requires the highest accuracy in the relative positioning between the workpiece and the honing tool.
  • a honing tool which has a single separately deliverable cutting group, which preferably has a pressure angle of less than 90 °.
  • the term "pressure angle” here describes the angular range along the circumference of the honing tool, are in the cutting material body of the cutting group in engagement with the bore wall. Often it is advantageous if the pressure angle between about 1 ° and about 70 °, it may for example be between 5 ° and 60 ° and / or between 20 ° and 45 °. The smaller the pressure angle, the more exact a complex shape of the contour of the inner surface to achieve by controlling the feed force as a function of the angular position of the honing tool.
  • honing tools with several independently deliverable cutting groups can be used, provided that it is ensured by the controller that the contact pressure of one cutting group is independent of the contact pressure of other, arranged at other circumferential positions cutting groups. If, for example, a honing tool is used with four cutting groups each offset by 90 °, their feed pressure can be controlled in such a way that in each case 90 ° out of phase delivery pressure curves are produced between cutting groups circumferentially offset by 90 °. It can thereby be achieved that during a single revolution of the honing tool, the same peripheral portion of the bore inner wall is reworked by the four cutting groups in succession material removal. As a result, the removal rate can be increased overall.
  • the control of the feed force is carried out so that the feed force or the contact pressure during a full rotation of the honing tool to the tool axis in a predetermined axial bore area more than two, in particular more than four local maxima and minima passes.
  • the local maxima or minima result from a periodic or aperiodic change between increase and decrease in the feed force during a tool revolution.
  • a honing tool suitable for performing the shape-generating honing operation of the method has a tool body defining a tool axis; a cutting group attached to the tool body with at least one cutting material body for material-removing machining of the inner surface; and one of the cutting group associated cutting group feed system for exerting a radially acting on the tool axis feed force on the cutting body of the cutting group and is characterized in that the cutting material body of the cutting group are arranged exclusively on one side of the honing tool and that the honing an axial guide means for substantially rigid guide the axial movement of the honing tool is assigned substantially parallel to the bore axis.
  • the honing tool may have a single cutting group, which preferably has an engagement angle of less than 90 °.
  • Such a honing tool can be controlled such that, when the cutting body of this cutting group engages the inner wall of the bore in a peripheral region of at least 270 ° of the circumference, no cutting material bodies are simultaneously in material-removing engagement with the bore wall.
  • the Axial Installations comprises a set of distributed around the circumference of the honing tool guide rails for axial guidance of the honing tool in the bore, wherein the guide rails are deliverable by means of a guide bar feed device regardless of the cutting material bodies of the cutting group in the direction of the inner surface of the bore.
  • a gimbal, Doppelkardanisch or floating mounted honing tool with double widening ie be used with two independently activatable delivery systems.
  • a feed system activates the guide rails that center the honing tool in the hole.
  • the other feed system activates a cutting group mounted on one side of the honing tool, which causes the locally limited material removal in its pressure angle range.
  • the feed force of the cutting material body of the cutting group which corresponds to a corresponding contact pressure of the cutting body, is then controlled as a function of stroke position and / or angular position of the honing tool to cause targeted material removal in predetermined areas along the circumference and in the axial direction of the bore.
  • the reaction force of the cutting material body in cutting engagement with the bore inner wall is on the opposite side of the guide rails without effect on the Bore shape intercepted.
  • guide rails in particular comprises strip-shaped guide elements, which ensure the centering. Also differently shaped guide elements should be detected, as far as they fulfill the function of the substantially rigid axial guidance of the honing tool by supporting on the inner wall of the bore.
  • the cutting group feed system acting on the cutting group can be controlled by a drive mounted in the honing machine, which acts on the cutting material body of the cutting group via a feed linkage or via a gear and determines its delivery force.
  • the cutting group feed system of the honing tool is designed for transmitting the feed force of a drive arranged outside of the honing tool. It is also possible for the cutting group feed system for the cutting group to have a drive arranged within the honing tool.
  • the basic delivery system for the cutting group is designed so that the material-removing regions of the cutting material body of the bore inner wall can be approximated to a small distance or to touch (coarse feed).
  • the radial displacement of the base for example, mechanically, electromechanically or hydraulically operable basis delivery system can be in the range of one or more millimeters (eg up to 4 mm).
  • the dynamic fine-delivery system can be optimized for short-term load changes or short-term changes in the delivery pressure and relatively short adjustment paths in order to be able to carry out many load changes, even with a rapidly rotating honing tool during a complete revolution of the honing tool.
  • Typical adjustment of the fine delivery system can in Range of less than 100 microns, for example in the range between 20 microns and 60 microns radial displacement.
  • the dynamic fine delivery system comprises a piezoelectric system which is arranged between a carrier element that can be adjusted by the base delivery system into a predeterminable radial position and the cutting material bodies of the cutting group.
  • the cutting bodies can be driven in groups or individually, if necessary also out of phase with each other.
  • Dividing the cutting group delivery system into a (coarse) base delivery system and a dynamic fine delivery system may be beneficial, but is not mandatory.
  • the cutting group delivery system is undivided and configured such that the delivery force provided by a drive arranged outside of the honing tool, in particular within the honing machine, is transmitted to the cutting group without intervening drives.
  • Hydraulic, electromechanical, piezoelectric, pneumatic and other suitable drives can be used in the feed systems for both the guide rails and the cutting bodies of the cutting group.
  • the substantially rigid axial guidance of the honing tool is achieved in some embodiments in that the axial guide device comprises at least one guide unit to be arranged outside the bore during honing for substantially rigid guidance of the axial movement of the honing tool.
  • Honing tools with a rigid tool guide can be used. In this case, only the cutting group feed system is required for operating the cutting group mounted on one side of the honing tool. The reaction forces of the pressed cutting material body are of the rigid tool guide added. In this case honing tools with simple expansion can thus be used.
  • Producible is e.g. a workpiece having at least one bore, which has a honed inner surface, wherein the bore in at least one axial bore portion has a non-circular cylindrical bore shape that deviates significantly from a relative to the bore axis 2-fold radially symmetric shape and in particular a cylindricity of more than 20 has ⁇ m.
  • the workpiece may be a cylinder block for an internal combustion engine, wherein the bore is a cylinder bore of the cylinder block and the shape deviation is designed so that the cylinder bore in the ready-assembled state or in the operating state of the cylinder block with screwed on the cylinder block cylinder head a cylindricity error of less than about 10 microns.
  • a honing machine having a feed force control means for controlling the feed force of a cutting group attached to a honing tool in response to the stroke position and / or the angular position of the honing tool in a bore, wherein the feed force control means is configured or configurable such that the bore receives a non-circular-cylindrical bore shape at least in an axial bore section, which deviates significantly from a 2-fold radially symmetrical shape relative to the bore axis.
  • the feed force control device for controlling the feed force of a cutting group mounted on one side on a honing tool can in particular be configured so that the delivery force during a full rotation of the honing tool around the tool axis in a predetermined axial bore area more than two, in particular more than four local maxima and Minima goes through.
  • Fig. 1 shows a schematic, oblique perspective view of a cylinder block (engine block) 100 for a 4-cylinder internal combustion engine.
  • the cylinder block consisting of a cast material or a light metal material
  • four axially parallel cylinder bores 101, 102, 103, 104 are arranged at equal distances in series next to one another such that their central bore axes 111 lie in a common plane (cylinder plane 112).
  • From the upper side of the cylinder block are provided internally threaded bores 115 axially parallel to the cylinder head bores so that in each case four of these bores are distributed uniformly around the circumference of a cylinder bore.
  • the holes 115 are used to hold cylinder head bolts, with their help after completion of the processing of the cylinder block the associated cylinder head is screwed onto the cylinder block 100 with the interposition of a cylinder head gasket.
  • the cylinder block 100 is a structurally nonuniform workpiece, in which in particular each of the cylinder bores 101-104 has a different workpiece environment, in particular with regard to the wall thickness in the region of the cylinder bores and also by different connections to the coolant channels of the engine block internal cooling system.
  • the inner cylinder bores 102 and 103 of the second and third cylinders each have two adjacent cylinder bores in the cylinder plane, while the outer cylinder bores (cylinders 1 and 4) have only one inner adjacent cylinder bore and on the opposite side to thicker wall sections of the workpiece.
  • the workpiece 100 formed by the cylinder block is clamped on a work table (not shown) of a honing machine, not shown, with two honing spindles, wherein only one honing spindle 120 is shown.
  • the cylinder surfaces formed by the inner surfaces 130 of the cylinder bores are subjected to a quality-determining finishing on the honing machine, in which both the macro-shape of the cylinder surfaces, as well as their surface topography is produced by suitable honing processes.
  • the honing machine comprises for each of its honing spindles a spindle motor for rotating the honing spindle about its longitudinal axis and a lifting drive for generating a vertical movement of the honing spindle when inserting the honing tool into the workpiece or when pulling out of the workpiece.
  • the lifting drive is controlled during machining so that the honing tool executes a vertical reciprocating movement within the bore, which is superimposed on the rotational movement of the workpiece (see arrows).
  • a honing tool 150 is coupled, which is a gimbal-mounted honing tool with double widening.
  • the honing tool has a tool body 155 which carries on one side of its circumference a cutting group 160 formed by a single honing stone, which can be delivered or withdrawn in the radial direction to the bore inner wall by means of a not-shown cutting group delivery system.
  • a set of unevenly distributed around the circumference of the honing tool guide rails 170 is provided on the tool body, which can be delivered independently of the cutting group 160 in the direction of the inner surface of the bore by means of a guide rail delivery system.
  • substantially rigid guidance of the axial movement of the honing tool within the bore results parallel to the bore axis 113, so that the guide rails form an axial guide device for the honing tool.
  • the feed movement of both the guide rails and the cutting group and the respectively applied feed force are independently controlled by means of a Zustellkraft control device 180 of the honing machine, in particular the feed force of the cutting group 160 highly dynamically depending on the stroke position of the honing tool (measured along the bore axis) and the angular position of the cutting group (in the circumferential direction) can be selectively varied in rapid change.
  • the Fig. 2 to 4 show elements of various embodiments of inventive honing tools, which are designed especially for the processing of cylinder surfaces in cylinder blocks.
  • the honing tool 200 in Fig. 2 has one on one side of the tool axis 201 arranged cutting group 260 with two peripherally offset on the circumference of the tool body 255 mounted, formed by honing strips cutting material body 261 attack during honing in a pressure angle range 265 of about 45 ° on the bore inner wall.
  • Their axial length is between 30% and 50% of the axial length 266 of the honing tool.
  • the honing tool comprises an integrated axial guide device, which is formed in the example by a number of evenly distributed around the circumference of the honing tool guide rails 270 which are radially deliverable independently of the honing stones 261 of the cutting group 260.
  • the guide rails extend substantially over the entire axial length 266 of the honing tool, the honing stones 261 are mounted in the axial central region (in other embodiments in the lower end region) of the support length defined by the guide rails.
  • the honing tool 300 in Fig. 3 has arranged on one side of the tool axis 301 cutting group 360 with two peripherally offset on the circumference of the tool body 355 mounted, formed by honing strips cutting body 361 attacking during honing in an engagement angle range of about 45 ° on the bore inner wall.
  • Their axial length is between 60% and 80% of the axial length of the honing tool.
  • the axial guidance device 370 of the honing tool comprises a guide section 371, which is attached to the spindle-side end of the tool body and has a circular-cylindrical outer surface, which is axially and rotationally guided in a guide unit 372 (upper guide) arranged outside the workpiece and fastened to the honing machine.
  • Fig. 4 shows a guided perpendicular to the tool axis 401 section through a honing tool 400, which is a variant of the in Fig. 2 shown double-expandable honing tool is.
  • the cutting group 460 mounted on one side of the tool axis 401 comprises two about 80 ° to 90 ° angularly offset arranged and separately controllable Schneidstoffmaschine 461, 462, which define an engagement angle range 465 of about 90 °.
  • the integrated axial guide device comprises six guide rails 471-476 distributed around the circumference of the tool body, which can be delivered in the radial direction to the bore inner wall by means of a force-limited guide rail feed system 480, so as to be axially slidable within the tool, but substantially rigid within the bore axis to lead the bore.
  • the guide rails consist of a hard, abrasion-resistant elastomer (Vulkollan® here), have a substantially smooth pressure surface and exert no material removal during the axially oscillating and rotating movement of the honing tool in the cylinder bore.
  • the cutting group 460 is mounted on one side of the honing tool. This means, in particular, that all of the cutting material bodies standing in honing processing in material-removing engagement with the bore inner wall lie on the same side of the tool bisecting tool level 490, which contains the tool axis 401 and is perpendicular to the bisector of the cutting group 460. On the side of the cutting group is essentially only one, mounted between the cutting material body guide rails 471 and a part of the vertically aligned guide rails.
  • a high spatial density of guide rails corresponding to a comparatively large contact surface is provided, so that the opposing force acting on the opposite guide rails 473-475 when the cutting material body presses against the bore inner wall converts a relatively low contact pressure of these guide rails on the bore inner wall, whereby a bore wall gentle, smooth axial guidance of the honing tool is achieved within the bore.
  • the feed movement of the cutting material body 461 of the cutting group 460 is controlled by means of a cutting group feed system 450, which is subdivided into two independently operable subsystems.
  • a Basiszustellsystem 452 has a relatively large displacement of several millimeters and serves to deliver the radial outer surfaces of the Schneidstoff emotions 461, 462 after applying the guide rails to the bore inner wall to a few microns to the bore inner wall.
  • the radial position of support elements 453 of the base delivery system achieved by this adjustment movement remains unchanged during honing.
  • the mechanical drive for the base delivery system is seated in the honing machine, the drive movement is achieved by suitable feed elements including a coaxially seated in the tool body Zustellkonus (see. Fig. 5 ) causes.
  • a dynamic fine delivery system 454 which, starting from the radial position predetermined by the base delivery system, permits radial delivery or radial retraction of the cutting material bodies.
  • the characterized by low moving masses Feinzustellsystem is designed in this way highly dynamic and allows during a single revolution of the honing tool several, eg between two and ten, periodic or aperiodic change between increase and decrease in the delivery force to complex curved and with a variety of local maxima and minima to create contours provided the bore inner wall with high accuracy.
  • the piezoelectric or otherwise driven fine delivery system can also be arranged above the Zustellkonus between this and the coarse delivery system. In this position, the fine delivery system can be arranged both on the rotating part of the honing spindle, as well as on the non-rotating part of the honing machine.
  • Fig. 5 Further details of a basic delivery system and a fine delivery system are shown schematically, which also in the honing tools according to Fig. 2 or Fig. 4 can be used in the illustrated or modified manner.
  • the cutting group 560 mounted on the honing tool on one side to the tool axis 501 comprises five axis-aligned honing strips 561 which are mounted on a common carrier 562 and define an overall pressure angle of approximately 30 °.
  • the BasisZustellsystem 552 of the cutting group delivery system 550 includes a parallel to the tool axis axially movable cone 554.
  • a piezoelectric drive element 555 of the fine delivery system 556 is attached, which is arranged between the carrier element 553 and the carrier element 562 for the honing stones.
  • the radial thickness of the piezoelectric actuator 555 is determined by applying appropriate control voltages provided by the controller 180 (FIG. Fig. 1 ) are provided, radially adjustable in an adjustment of about 20 microns to about 60 microns, if necessary, a To allow quick change of the delivery pressure of the cutting material body.
  • Fig. 6 (a) a schematic peripheral record and Fig. 6 (b) a schematic longitudinal section of the dimensions of a cylinder surface.
  • radial distances of the bore inner wall from the bore axis BA are shown as a function of the circumferential position along the bore inner surface, the zero point of the circumferential direction and the 180 ° position in the cylinder plane 112 defined by the bore axes of the cylinders (cf. Fig.
  • the 90 ° and 270 ° positions represent the perpendicular regions near the front and rear broad sides of the cylinder head.
  • the curves R O , R M and R U represent the radius in the vicinity of the upper inlet opening of the cylinder bore (R O ), in the axial center region of the cylinder bore (R M ) and in the vicinity of the lower end of the cylinder bore (R U ).
  • the circulating measuring curves of the peripheral document are respectively related to a zero line lying concentrically to the bore axis, which in the illustration in FIG Fig. 8 each dashed line is drawn. The same radial scale in the radial direction serves for all measuring curves.
  • the longitudinal letters in Fig. 6 (b) each show the course of the generatrices (parallel to the bore axis) in the selected peripheral areas at 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °.
  • the schematic Messrume in Fig. 6 represent at the selected resolution, a substantially circular cylindrical shape of the bore inner surface with a cylindricity .DELTA.Z of about 10 microns.
  • a relatively small cylindric error will in some applications considered sufficient to ensure adequate sealing during operation of the internal combustion engine in conjunction with substantially circular piston rings over the entire length of the cylinder.
  • a cylinder block of a series of cylinder blocks to be manufactured is clamped in the honing machine.
  • the cylinder block is braced by means of a tensioning device, which essentially simulates the clamping forces acting on the cylinder block when a cylinder head is screwed onto the cylinder block.
  • a tensioning device which essentially simulates the clamping forces acting on the cylinder block when a cylinder head is screwed onto the cylinder block.
  • a tensioning device which essentially simulates the clamping forces acting on the cylinder block when a cylinder head is screwed onto the cylinder block.
  • a tensioning device which essentially simulates the clamping forces acting on the cylinder block when a cylinder head is screwed onto the cylinder block.
  • a tensioning device which essentially simulates the clamping forces acting on the cylinder block when a cylinder head is screwed onto the cylinder block.
  • a clamping device according to the patent DE 28 10 322 C2 are used, the content of which
  • the cylinder bores of the strained and possibly heated cylinder block are honed in a single-stage or multi-stage honing process to obtain a possible circular cylindrical bore shape.
  • a cylinder shape error ⁇ Z of less than 10 ⁇ m is achieved in this phase of machining.
  • Typical calipers used to determine the shape of the bore can be found in Fig. 6 show characteristics shown.
  • a typical machined cylinder bore has after this production step in all axial positions a substantially circular circumference with a surface contour without pronounced maxima, minima or inflection points and in the axial direction (longitudinal) at different positions along the circumference practically no or only a very slight, gradual variation of the radius or of the diameter ( Fig. 6 (b) ).
  • the clamping device After completion of this phase of processing, the clamping device is removed, so that the elastic deformation produced by the clamping device and possibly by the action of temperature are reduced in the workpiece and this assumes a relaxed state.
  • Fig. 7 shows an example of the corresponding Fig. 6 recorded measurement records in the circumferential direction ( Fig. 7 a ) and in the axial direction ( Fig. 7b ) of the marginal fourth cylinder bore 104 in Fig.
  • the bore in the vicinity of the cylinder head side entry side (represented by the curve R O ) is an approximately has countless radial symmetry about the bore axis BA, in which the largest diameter obliquely to the cylinder plane in the range of circumferential angles 135 ° and 315 ° results, while perpendicular thereto (corresponding to angular positions 45 ° and 225 °) also form local maxima of the radius however, are at smaller absolute radius values.
  • the approximately 2-fold symmetrical basic shape are superimposed on smaller radius fluctuations, for example in the range of 180 °.
  • curve R M In the axial center region of the bore (curve R M ) results in a much more complex relationship between circumferential position and bore radius or bore diameter. In the example shown, approximately eight local maxima of the inner radius, which are separated by local minimums of the inner radius, result in the circumferential direction. The largest radii tend to remain inclined to the cylinder plane.
  • the bore cross section is also asymmetrical, but the 2-fold radial symmetry still indicated at the cylinder head end no longer dominates and dominates an almost completely irregular bore cross-sectional shape.
  • the asymmetrically warped hole shape that can be characterized in this way corresponds to a cylindricity ⁇ Z of between 30 ⁇ m and 40 ⁇ m.
  • This complex and asymmetrically deformed bore geometry will be deformed when placing and screwing a cylinder head and heating the resulting hull motor in the range of operating temperatures back to a largely cylindrical bore shape, as shown by Fig. 6 was explained.
  • the complexly deformed bore geometry is now measured after removal of the clamping device in order to determine in this way the local radii of the distorted shape as a function of the axial position and the circumferential position.
  • a data set is determined, which represents the relaxation, complex and asymmetrically deformed bore geometry.
  • This complex bore shape corresponds to a "negative mold” that is to be achieved in the machining of the other cylinder blocks of the series by shaping honing machining, if the machined cylinder bores in the mounted state of the engine should have a largely cylindrical shape with low cylindricity.
  • the geometry data representing the complex unsymmetrical bore shape separately for each cylinder bore is stored in the controller 180 in a suitable form.
  • they can be compared with measured values of a dimensional measuring system with tool-internal sensors (eg air measuring system) and converted into corresponding data for the delivery pressure with which a one-sided attached to a honing tool cutting group must be acted to axially rigid guide the honing tool and control of Feed force of the cutting group as a function of the axial position and the angular position of the honing tool to achieve the complex asymmetrically shaped bore shape.
  • tool-internal sensors eg air measuring system
  • Fig. 8 shows exemplary for two axial positions of the cylinder (represented by the curves R O and R M in Fig. 8 (a) ) the stroke and rotation angle-dependent radius profile of the bore (in Fig. 8 (a) ) and in Fig. 8 (b) the course of the feed force F on the rotation angle ⁇ , respectively in the corresponding axial heights.
  • the dashed curve F O represents the variation of the feed force over the rotation angle that would be required when a honing tool whose cutting group rotates in the upper end portion of the cylinder bore processes the inner surface.
  • the solid line F M corresponds to the temporal variation or angle variation that would be required in the middle region of the bore (R M ).
  • the cylinder bore can be measured by means of a shape measuring system.
  • a possibly existing, measured difference of the actual shape from the desired shape can be used to correct the infeed system as a function of stroke position and angle of rotation.
  • a measurement of the bore shape can thus be carried out for determining actual shape values, and a difference between the shape Is values and the desired shape can be processed to correct the control of the delivery force.
  • the material-removing machining steps for generating the complex, non-circular and possibly asymmetrical bore shapes are produced with the aid of a honing tool (or with the aid of a plurality of honing tools used in succession), the cutting group of these honing tools being designed for a substantial material removal, around the macro-shape of the bore in the desired manner.
  • the microstructure of the machined inner bore surface may not meet the operational requirements for surface roughness and / or surface texture. Therefore, in preferred methods after the predetermining processing steps at least one substantially form-neutral, ie the macro-shape of the bore substantially non-changing machining operation is performed.
  • This honing tools with correspondingly adapted to the surface requirement grit of the cutting material body and / or brush or Plateauhontechnikmaschinee and / or other surface structure changing processing tools are used, for example, non-contact tools, such as laser and / or water jet generator, which can change the surface structure of the bore inner surface without affecting the macro-shape ,
  • FIGS. 9 and 10 show in plan view and cross-section, a cutting group 960, which is optimized for a "Plateauhonbearbeitung" unsymmetrical bore shapes to cut the still present after the shaping honing tips of the roughness profile and thereby increase the bearing ratio of the surface. Since in the previous processing steps a bore shape with possibly very small local radii in the range of local minima or maxima can be generated, a honing tool is provided whose cutting group 960 is capable of the corrugated surface of a targeted non-circularly machined bore with a cylindricity of to process substantially uniformly over 10 ⁇ m.
  • a more segmented honing system in which the cutting material bodies 961 formed by honing stone segments are applied to an inherently elastic base body 965, for example a plate made of a rubber-like material.
  • This intrinsically elastic base body is applied to the actual base material 966 of the honing stone, for example a support made of steel, copper or the like, by gluing or in some other way.
  • the square honing stone segments 961 have an extension of 10mm x 10mm.
  • Honing tools with one or more such cutting groups can be used regardless of the other features of the invention and the method described herein in other honing process for the final machining of holes in workpieces.

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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 axial beweglich und um seine Werkzeugachse rotierend angetrieben wird und eine an dem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche wird mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt. Es erfolgt eine im Wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges zur Erzeugung einer Axialbewegung des Honwerkzeuges im wesentlichen parallel zur Bohrungsachse der Bohrung und es wird eine zeitlich asymmetrische Steuerung der Zustellkraft einer an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Winkelposition und ggf. von der Hublage des Honwerkzeuges derart durchgeführt, dass die Bohrung zumindest in einem axialen Bohrungsabschnitt eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform erhält. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass nach der formerzeugenden Honoperation zur Erzeugung der unrunden Bohrungsform mindestens eine im Wesentlichen formneutrale Bearbeitungsoperation zur Bearbeitung oberflächennaher Bereiche der Innenfläche durchgeführt wird.

Description

  • Diese Patentanmeldung ist eine Teilanmeldung zur Europäischen Patentanmeldung Nr. 09009260.2 / 2 110 204 , welche eine Teilanmeldung zur Europäischen Patentanmeldung Nr. 05025813.6 / 1 790 435 vom 25.11.2005 ist. Der Inhalt dieser beiden Patentanmeldungen wird durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
  • 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. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Honwerkzeug, das 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 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 hergestellt Ausgangsform soll im Betriebszustand die gewünschte Sollform annehmen. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist die Sollform zylindrisch, während die Ausgangsform einen im Wesentlichen kreiszylindrischen Abschnitt, einen im Wesentlichen elliptischen Abschnitt und einen dazwischenliegendem Übergangsabschnitt hat.
  • In der Dissertationsschrift "Variables Formhonen durch rechnergestützte Honprozesssteuerung" von R. Zurrin, veröffentlicht in: wbk - For- schungsberichte 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 vierfach.symmetrische 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 mit einem Werkstück bereitzustellen, das es ermöglicht, nicht-kreiszylindrische Bohrungsformen mit komplexen Abweichungen von einer exakten Kreiszylindrizität und guten tribologischen Eigenschaften mit Hilfe des Honens zu erzeugen. Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein solches Verfahren bereitzustellen, das eine hohe Flexibilität bezüglich der beim Formhonen zu erzielenden, unrunden Bohrungsform erlaubt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Honwerkzeug bereitzustellen.
  • Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Honwerkzeug mit den Merkmalen von Anspruch 13 bereit.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den anhängigen 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 axial beweglich und um seine Werkzeugachse rotierend angetrieben und eine an dem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche wird mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt. Erfindungsgemäß erfolgt eine im Wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges zur Erzeugung einer Axialbewegung des Honwerkzeuges im wesentlichen parallel zur Bohrungsachse der Bohrung und es wird eine zeitlich asymmetrische Steuerung der Zustellkraft einer an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Hublage und/oder der Winkelposition des Honwerkzeuges derart durchgeführt, dass die Bohrung zumindest in einem axialen Bohrungsabschnitt eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform erhält.
  • Idealerweise sollte bei der Honbearbeitung von Zylinderbohrungen in Zylinderblöcken eine Form der Zylinderbohrung erzeugt werden, die im montierten und betriebswarmen Zustand des Motors zu einem minimalen Fehler in der Zylinderform (Zylindrizitätsfehler) führt. Zum Erreichen dieses Fertigungszieles einer "einsatzoptimalen Bohrungsgeometrie" sollte die Negativform des Fehlers, der durch die während der Montage und während des Betriebes erzeugten Deformationen entsteht, durch die Honbearbeitung erzeugt und somit vorgehalten werden. Die Steifigkeit und thermische Deformation ist jedoch bei strukturell uneinheitlichen Werkstücken z.B. durch Wandstärkenunterschiede und durch unterschiedliche Anbindungen der Zylinderlaufbahnen an das motorinterne Kühlsystem o. dgl. nicht symmetrisch. Daher ist zur idealen Abbildung der Negativform ein Honverfahren erforderlich, das die Erzeugung einer beliebigen, in der Regel unsymmetrischen Bohrungsform ermöglicht.
  • Die herkömmlichen Honverfahren sind in dieser Hinsicht jedoch beschränkt. Das grundlegende Prinzip des herkömmlichen Honens liegt in der flächenhaften Anlage der Schneidstoffkörper sowie einer doppelt kardanischen, beweglichen Lagerung des Honwerkzeuges. Bei Zustellung von vollständig oder nahezu symmetrisch um den Umfang verteilten Honleisten findet eine selbsttätige Ausrichtung des Werkzeuges in der Zylinderbohrung statt. Bei der Erzeugung von unrunden Bohrungsformen besteht jedoch durch diesen Ansatz das Problem, dass bei der Erhöhung der Zustellkraft bzw. des Anpressdruckes bei einer Schneidgruppe auf der diametral zur Werkzeugachse gegenüberliegenden Seite der Werkzeugachse der Anpressdruck von dort in Eingriff mit der Bohrungswand stehenden Schneidstoffkörpern sich automatisch ebenfalls erhöht. Jede Änderung der Zustellkraft wirkt sich somit auf der diametral zur Werkzeugachse gegenüberliegenden Seite (Druck und Gegendruckseite) in gleicher oder sehr ähnlicher Weise aus, so dass sich die Form der bearbeiteten Bohrung an diametral gegenüberliegenden Seiten im Wesentlichen in gleicher Weise ändert. Dies führt bei den im Stand der Technik beschriebenen Ansätzen zur Ausbildung einer zwar nicht kreiszylindrischen, jedenfalls aber bezogen auf die Bohrungsachse 2-zählig radialsymmetrischen Bohrungsform. Es kann sich dabei insbesondere um eine elliptische Bohrungsform oder um die in der Dissertation von Zurrin beschriebene Bohrungsform mit 4-zähliger Radialsymmetrie handeln, die eine Sonderform der 2-zähligen Radialsymmetrie darstellt.
  • Die Erfindung hebt diese Beschränkung auf. Durch die im Wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges in Verbindung mit der Steuerung der Zustellkraft der an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe wird erreicht, dass diese Schneidgruppe in ihrem Eingriffswinkelbereich 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 materialabtragende Schneidstoffkörper 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.
  • Zur flexiblen Steuerung der Bohrungsform wird somit insbesondere ein Verfahren bzw. ein System vorgeschlagen, bei dem der Anpressdruck von Schneidstoffkörpern an einem begrenzten Umfangswinkelbereich der Innenfläche der Bohrung erhöht werden kann, ohne dass dies auf der diametral gegenüberliegenden Seite ebenfalls zu einer Erhöhung des Anpressdrucks anderer Schneidstoffköper führt.
  • Es ist möglich, dass das Honwerkzeug nur eine einzige Schneidgruppe hat, deren Schneidstoffkörper (einer oder mehrere) alle auf einer Seite des Honwerkzeuges angeordnet sind. Es können auch mehrere, unabhängig voneinander ansteuerbare Schneidgruppen vorgesehen sein, die gegebenenfalls auch an diametral gegenüberliegenden Seiten des Honwerkzeuges angeordnet sein können. Falls Schneidgruppen an gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind, sollte zu einem gegebenen Zeitpunkt nur an einer der gegenüberliegenden Seiten eine Schneidgruppe in materialabtragendem Eingriff mit der Bohrungsinnenwand sein, während die an der gegenüberliegenden Seite angeordnete Schneidgruppe zurückgezogen bzw. druckentlastet ist und somit keinen oder keinen substantiellen Materialabtrag leistet.
  • Es wird in jedem dieser Fälle die Zustellkraft einer einseitig der Werkzeugachse an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe gesteuert.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die komplexe, unrunde und ggf. unsymmetrische Bohrungsform ausgehend von einer durch einen Vorbearbeitungsschritt erzeugten Bohrungsform durch Honen erzeugt. Diese Formgebung durch Honen führt in der Regel noch nicht zu der für die Innenfläche der Bohrung gewünschten Oberflächenstruktur, die die tribologischen Eigenschaften der Innenfläche entscheidend mitbestimmt. Daher wird bei der beanspruchten Erfindung nach der formerzeugenden Honoperation zur Erzeugung der unrunden Bohrungsform mindestens eine im Wesentlichen formneutrale (d.h. die Makroform der Bohrung nicht wesentlich verändernde) Bearbeitungsoperation zur Bearbeitung oberflächennaher Bereiche der Innenfläche durchgeführt.
  • Dabei kann es sich z.B. um eine sog. "Plateauhonbearbeitung" handeln, bei der zur Verbesserung des Motoreinlaufes die Spitzen des Rauheitsprofils geschnitten werden. Auch ein Zwischenhonschritt oder eine Abfolge von Zwischenhonen und Plateauhonen ist möglich.
  • Zur Verbesserung der Homogenität der weitgehend formneutralen Bearbeitungsschritte können bekannte Systeme verwendet werden, bei denen mittels einer metallischen Feder oder dergleichen die Schneidstoffkörper an die Innenfläche der Bohrung angelegt werden. Bei üblichen Plateauhonwerkzeugen sind maximal 5 bis 7 separate Schneidstoffkörper vorhanden, welche auf einem metallischen Federsystem gestützt sind. Diese Systeme sind bei Formfehlern von weniger als ca. 10 µm auch im Rahmen erfindungsgemäßer Verfahren einsetzbar.
  • Sind jedoch die Formfehler (insbesondere Zylindrizitätsfehler) einer gezielten unrund bearbeiteten Bohrung deutlich größer, so wird vorzugsweise bei der im Wesentlichen formneutralen Bearbeitungsoperation die Innenfläche mit einer Vielzahl von relativ zueinander beweglichen, elastisch gelagerten Schneidstoffkörpern bearbeitet, die in Umfangsrichtung des Honwerkzeuges eine maximale Ausdehnung von weniger als 3 % des Wirkumfanges des Honwerkzeuges haben. Die Schneidstoffkörper können auch in Axialrichtung sehr klein sein, ihre axiale Länge kann z.B weniger als 10 % der Honwerkzeuglänge betragen. Durch ein Honwerkzeug mit derart stark segmentierten Schneidstoffgruppen ist eine flächige Anlage der kleinen Schneidstoffkörper auch an extrem unrund formgehonte Bohrungsinnenflächen abgesichert, da die relativ kleinen, elastische gelagerten Schneidstoffkörper der Innenkontur der Bohrung unter Aufrechterhaltung der flächigen Anlage folgen können.
  • Ein Honwerkzeug gemäß der beanspruchten Erfindung, das insbesondere zur Durchführung der formneutralen Bearbeitungsoperation bei dem Verfahren geeignet ist, hat einen Werkzeugkörper, der eine Werkzeugachse definiert, eine an dem Werkzeugkörper angebrachten Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zum materialabtragenden Bearbeiten der Innenfläche, und ein der Schneidgruppe zugeordnetes Schneidgruppen-Zustellsystem zur Ausübung einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft auf die Schneidstoffkörper der Schneidgruppe. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidgruppe eine Vielzahl von relativ zueinander beweglichen, elastisch gelagerten Schneidstoffkörpern aufweist, die in Axialrichtung des Honwerkzeuges eine maximale Ausdehnung von weniger als 10 % der Länge des Schneidbereiches des Honwerkzeuges haben und/oder die in Umfangsrichtung des Honwerkzeuges eine maximale Ausdehnung von weniger als 3 % des Wirkumfanges des Honwerkzeuges haben.
  • Bei manchen Verfahrensvarianten werden Bohrungen mit einer Bohrungsform erzeugt, die von einer bezogen auf die Bohrungsachse zweizählig radialsymmetrischen Form signifikant abweicht.
  • Die erzielten Formabweichungen von einer bezogen auf die Bohrungsachse 2-zählig radialsymmetrischen Form liegen dabei deutlich außerhalb der üblichen, bei den hier betrachteten Honverfahren geltenden Toleranzen des Zylindrizitätsfehlers, der in vielen Fällen bei weniger als 10 µm liegen soll.
  • Bei bevorzugten Varianten entsprechen die Formabweichungen von einer bezogen auf die Bohrungsachse 2-zählig radialsymmetrischen Form einem Zylindrizitätsfehler von deutlich mehr als 10 µm, wobei der Zylindrizitätsfehler vorzugsweise bei mehr als 20 µm, insbesondere zwischen 20 µm und ca. 60µm 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=(DA-DI)/2, wobei DA der Durchmesser des die Bohrungsinnenwand außen berührenden Zylinders und DI der Durchmesser des die Bohrungswand innen berührenden Zylinders ist.
  • 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 gegenübliegenden 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.
  • Wie erwähnt können auch Honwerkzeuge mit mehreren unabhängig voneinander zustellbaren Schneidgruppen verwendet werden, sofern durch die Steuerung sichergestellt ist, dass der Anpressdruck einer Schneidgruppe unabhängig vom Anpressdruck anderer, an anderen Umfangspositionen angeordneter Schneidgruppen ist. Wird beispielsweise ein Honwerkzeug mit vier jeweils um 90° umfangsversetzt angeordneten Schneidgruppen verwendet, so kann deren Zustelldruck so gesteuert werden, dass sich jeweils um 90° phasenversetzte Zustelldruckverläufe zwischen um 90° umfangsversetzte Schneidgruppen ergeben. Dadurch kann erreicht werden, dass während einer einzigen Umdrehung des Honwerkzeuges der gleiche Umfangsabschnitt der Bohrungsinnenwand durch die vier Schneidgruppen zeitlich nacheinander materialabtragend überarbeitet wird. Hierdurch kann die Abtragsleistung insgesamt gesteigert werden.
  • Mit Hilfe des Verfahrens können zusätzlich zu den auch durch herkömmliche Verfahren erzeugbaren, unrunden Bohrungsformen bisher nicht mögliche unrunde Bohrungsformen durch Honen erzeugt werden. Bei einer Ausführungsform wird die Steuerung der Zustellkraft so durchgeführt, dass die Zustellkraft bzw. der Anpressdruck bei einer vollen Umdrehung des Honwerkzeuges um die Werkzeugachse in einem vorgegebenen axialen Bohrungsbereich mehr als zwei, insbesondere mehr als vier lokale Maxima und Minima durchläuft. Die lokalen Maxima bzw. Minima ergeben sich durch einen periodischen oder aperiodischen Wechsel zwischen Anstieg und Abnahme der Zustellkraft bei einer Werkzeugumdrehung. Betrachtet man beispielsweise eine 4-fach symmetrische Kreisformabweichung in einem axialen Bohrungsbereich, so würde die Zustellkraft eines Honwerkzeuges mit einer einzigen einseitig angeordneten Schneidgruppe bei einer Umdrehung des Honwerkzeuges vier gleichmäßig beabstandete Maxima und vier dazwischen liegende, ebenfalls gleichmäßig beabstandete lokale Minima der Zustellkraft erfordern, um die 4-fach symmetrische Form ausgehend von einer ideal kreiszylindrischen Form zu erzeugen. Ist die Steuerung der Honmaschine dagegen so konfiguriert, dass auch deutlich höhere Anzahlen lokaler Maxima und Minima erzeugbar sind, so kann beispielsweise eine komplexe Bohrungsquerschnittsform erzeugt werden, deren Grundform der 4-fach symmetrischen Form ähnelt, der jedoch kurzwellige Durchmesser- bzw. Radiusschwankungen nach Art von "Oberwellen" überlagert sind.
  • In Axialrichtung der Bohrung können unterschiedliche nicht-runde und kreisrunde axiale Bohrungsabschnitte abwechseln bzw. ineinander übergehen. Dies kann durch gleichzeitige Variation des Zustelldruckes in Abhängigkeit von der Winkellage und von der Hubposition (Axialposition) erreicht werden. Auf diese Weise können auch in sich verdrillte Bohrungsformen erreicht werden. Eine solche Bohrungsform ergibt sich beispielsweise dann, wenn an einer Bohrungsinnenfläche eine lokale Ausbeulung (lokale Radiusvergrößerung) im Wesentlichen entlang einer Schraubenlinie in axialer Richtung verläuft.
  • Ein zur Durchführung der formerzeugenden Honoperation des Verfahrens geeignetes Honwerkzeug hat einen Werkzeugkörper, der eine Werkzeugachse definiert; eine an dem Werkzeugkörper angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zum materialabtragenden Bearbeiten der Innenfläche; und ein der Schneidgruppe zugeordnetes Schneidgruppen-Zustellsystem zur Ausübung einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft auf die Schneidkörper der Schneidgruppe und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidstoffkörper der Schneidgruppe ausschließlich an einer Seite des Honwerkzeuges angeordnet sind und dass dem Honwerkzeug eine Axialführungseinrichtung zur im Wesentlichen starren Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges im Wesentlichen parallel zu der Bohrungsachse zugeordnet ist.
  • Insbesondere kann das Honwerkzeug eine einzige Schneidgruppe aufweisen, die vorzugsweise einen Eingriffswinkel von weniger als 90° besitzt. Ein solches Honwerkzeug ist so ansteuerbar, dass bei einem Eingriff der Schneidkörper dieser Schneidgruppe an der Innenwand der Bohrung in einem Umfangsbereich von mindestens 270° des Umfanges keine Schneidstoffkörper gleichzeitig in materialabtragendem Eingriff mit der Bohrungswandung sind.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst die Axialführungseinrichtung einen Satz von um den Umfang des Honwerkzeuges verteilten Führungsleisten zur axialen Führung des Honwerkzeuges in der Bohrung, wobei die Führungsleisten mittels einer Führungsleisten-Zustelleinrichtung unabhängig von den Schneidstoffkörpern der Schneidgruppe in Richtung auf die Innenfläche der Bohrung zustellbar sind. Hierbei kann beispielsweise ein kardanisch, doppeltkardanisch oder schwimmend gelagertes Honwerkzeug mit Doppelaufweitung, d.h. mit zwei unabhängig voneinander aktivierbaren Zustellsystemen eingesetzt werden. Mit einem Zustellsystem werden die Führungsleisten aktiviert, die das Honwerkzeug in der Bohrung zentrieren. Mit dem anderen Zustellsystems wird eine auf einer Seite des Honwerkzeuges angebrachte Scheidgruppe aktiviert, die in ihrem Eingriffswinkelbereich den lokal begrenzten Materialabtrag bewirkt. Die Zustellkraft der Schneidstoffkörper der Schneidgruppe, die mit einem entsprechenden Anpressdruck der Schneidstoffkörper korrespondiert, wird dann in Abhängigkeit von Hublage und/oder Winkelposition des Honwerkzeuges gesteuert, um in vorgebbaren Bereichen entlang des Umfanges und in Axialrichtung der Bohrung einen gezielten Materialabtrag zu bewirken. Die Reaktionskraft der in Schneideingriff mit der Bohrungsinnenwand stehenden Schneidstoffkörper wird auf der gegenüberliegenden Seite von den Führungsleisten ohne Auswirkung auf die Bohrungsform abgefangen. Der Begriff " Führungsleisten" umfasst insbesondere leistenförmige Führungselemente, die die Zentrierung gewährleisten. Auch andersartig geformte Führungselemente sollen erfasst sein, soweit sie die Funktion der im Wesentlichen starren axialen Führung des Honwerkzeuges durch Abstützung an der Innenwand der Bohrung erfüllen.
  • Das auf die Schneidgruppe wirkende Schneidgruppen-Zustellsystem kann durch einen in der Honmaschine angebrachten Antrieb gesteuert werden, der über ein Zustellgestänge bzw. über ein Getriebe auf die Schneidstoffkörper der Schneidgruppe wirkt und deren Zustellkraft bestimmt. In diesem Fall ist das Schneidgruppen-Zustellsystem des Honwerkzeuges zur Übertragung der Zustellkraft eines außerhalb des Honwerkzeuges angeordneten Antriebes ausgebildet Es ist auch möglich, dass das Schneidgruppen-Zustellsystem für die Schneidgruppe einen innerhalb des Honwerkzeuges angeordneten Antrieb besitzt.
  • Auch eine Kombination eines Basiszustellsystems, z.B. mit Antrieb in der Honmaschine, mit einem dynamischen Feinzustellsystem, dessen Antrieb in das Honwerkzeug integriert ist, ist möglich. Bei einer Ausführungsform ist das Basiszustellsystem für die Schneidgruppe so ausgelegt, dass damit die materialabtragenden Bereiche der Schneidstoffkörper der Bohrungsinnenwand bis auf einen geringen Abstand oder bis zur Berührung angenähert werden können (Grobzustellung). Der radiale Verstellweg des beispielsweise mechanisch, elektromechanisch oder hydraulisch betreibbaren Basiszustellsystems kann im Bereich einer oder mehrerer Millimeter (z.B. bis zu 4 mm) liegen. Das dynamische Feinzustellsystem kann dagegen auf kurzzeitige Lastwechsel bzw. kurzzeitige Wechsel des Zustelldruckes und relativ kurze Verstellwege optimiert sein, um auch bei schnell drehendem Honwerkzeug bei einer vollen Umdrehung des Honwerkzeuges ggf. viele Lastwechsel durchführen zu können. Typische Verstellwege des Feinzustellsystems können im Bereich von weniger als 100 µm liegen, beispielsweise im Bereich zwischen 20 µm und 60 µm radialem Verstellweg. Bei einer Ausführungsform umfasst das dynamische Feinzustellsystem ein piezoelektrisches System, das zwischen einem durch das Basiszustellsystem in eine vorgebbare Radialposition verstellbaren Trägerelement und den Schneidstoffkörpern der Schneidgruppe angeordnet ist. Die Schneidstoffkörper können gruppenweise oder einzeln, ggf. auch phasenversetzt zueinander angetrieben werden.
  • Eine Aufteilung des Schneidgruppen-Zustellsystems in ein (grobes) Basiszustellsystem und ein dynamisches Feinzustellsystem kann günstig sein, ist jedoch nicht zwingend. Bei anderen Ausführungsformen ist das Schneidgruppen-Zustellsystem ungeteilt und so ausgestaltet, dass die von einem außerhalb des Honwerkzeuges, insbesondere innerhalb der Honmaschine angeordneten Antrieb bereitgestellte Zustellkraft ohne zwischengeschaltete Antriebe auf die Schneidgruppe übertragen wird.
  • Bei den Zustellsystemen sowohl für die Führungsleisten als auch für die Schneidkörper der Schneidgruppe können hydraulische, elektromechanische, piezoelektrische, pneumatische und andere geeignete Antriebe eingesetzt werden.
  • Die im Wesentlichen starre Axialführung des Honwerkzeuges wird bei manchen Ausführungsformen dadurch erreicht, dass die Axialführungseinrichtung mindestens eine während des Honens außerhalb der Bohrung anzuordnende Führungseinheit zur im Wesentlichen starren Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges umfasst. Es können Honwerkzeuge mit starrer Werkzeugführung eingesetzt werden. In diesem Fall wird nur das Schneidgruppen-Zustellsystem zur Betätigung der einseitig an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe benötigt. Die Reaktionskräfte der angedrückten Schneidstoffkörper werden von der starren Werkzeugführung aufgenommen. In diesem Fall können somit Honwerkzeuge mit einfacher Aufweitung verwendet werden.
  • Herstellbar ist z.B. ein Werkstück mit mindestens einer Bohrung, die eine gehonte Innenfläche aufweist, wobei die Bohrung in mindestens einem axialen Bohrungsabschnitt eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform hat, die von einer bezogen auf die Bohrungsachse 2-zählig radialsymmetrischen Form signifikant abweicht und insbesondere einen Zylindrizitätsfehler von mehr als 20 µm aufweist. Insbesondere kann es sich bei dem Werkstück um einen Zylinderblock für eine Brennkraftmaschine handeln, wobei die Bohrung eine Zylinderbohrung des Zylinderblockes ist und die Formabweichung so ausgelegt ist, dass die Zylinderbohrung im betriebsfertig montierten Zustand oder im Betriebszustand des Zylinderblockes mit auf dem Zylinderblock aufgeschraubten Zylinderkopf einen Zylindrizitätsfehler von weniger als ca. 10 µm aufweist.
  • Beschrieben wird auch eine Honmaschine, die eine Zustellkraft-Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Zustellkraft einer an einem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Hublage und/oder der Winkelposition des Honwerkzeuges in einer Bohrung hat, wobei die Zustellkraft-Steuerungseinrichtung derart konfiguriert oder konfigurierbar ist, dass die Bohrung zumindest in einem axialen Bohrungsabschnitt eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform erhält, die von einer bezogen auf die Bohrungsachse 2-zählig radialsymmetrischen Form signifikant abweicht. Die Zustellkraft-Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Zustellkraft einer einseitig an einem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe kann dabei insbesondere so konfiguriert sein, dass die Zustellkraft bei einer vollen Umdrehung des Honwerkzeuges um die Werkzeugachse in einem vorgegebenen axialen Bohrungsbereich mehr als zwei, insbesondere mehr als vier lokale Maxima und Minima durchläuft.
  • 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 Perspektivansicht eines 4-Zylinder-Motorblockes bei der Bearbeitung mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeuges;
    • Fig. 2 zeigt eine schrägperspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Honwerkzeuges mit Führungsleisten und einer einseitig an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe mit zwei leistenförmigen Schneidstoffkörpern;
    • Fig. 3 zeigt eine schrägperspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeuges mit einer einseitig angeordneten Schneidgruppe mit zwei leistenförmigen Schneidstoffkörper und einer extern anbringbaren Axialführungseinrichtung;
    • Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeuges mit Doppelaufweitung, bei dem das Schneidgruppen-Zustellsystem ein Basissystem zur Grobzustellung und ein dynamisches Feinzustellsystem umfasst;
    • Fig. 5 zeigt eine schematische schrägperspektivische Ansicht eines Schneidgruppen-Zustellsystems mit einem Basiszustellsystem für die Grobzustellung und einem dynamischen Feinzustellsystem;
    • Fig. 6 zeigt schematische Messdiagramme einer zylindrischen Bohrung mit geringem Zylindrizitätsfehler;
    • Fig. 7 zeigt schematische Messdiagramme einer Zylinderbohrung mit großem Zylindrizitätsfehler und signifikanter Abweichung von einer 2zähligen Radialsymmetrie;
    • Fig. 8 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 Zustellkraft über die Winkelposition einer einseitig an einem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe;
    • Fig. 9 zeigt eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform einer Schneidgruppe für die Plateau-Honbearbeitung einer unrunden Zylinderbohrung mit großem Zylindrizitätsfehler; und
    • Fig. 10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Schneidgruppe in Fig. 9.
  • Fig. 1 zeigt in schematischer, schrägperspektivischer Ansicht einen Zylinderblock (Motorblock) 100 für eine 4-Zylinder-Brennkraftmaschine. In dem aus einem Gusswerkstoff oder aus einem Leichtmetall-Werkstoff bestehenden Zylinderblock sind vier achsparallele Zylinderbohrungen 101, 102, 103, 104 in gleichen Abständen in Reihe so nebeneinander angeordnet, dass ihre zentralen Bohrungsachsen 111 in einer gemeinsamen Ebene (Zylinderebene 112) liegen. Von der Oberseite des Zylinderblockes her sind mit Innengewinde versehene Bohrungen 115 achsparallel zu den Zylinderkopfbohrungen so eingebracht, dass jeweils vier dieser Bohrungen gleichmäßig um den Umfang einer Zylinderbohrung verteilt sind. Die Bohrungen 115 dienen zur Aufnahme von Zylinderkopfschrauben, mit deren Hilfe nach Fertigstellung der Bearbeitung des Zylinderblockes der zugehörige Zylinderkopf auf den Zylinderblock 100 unter Zwischenlage einer Zylinderkopfdichtung aufgeschraubt wird.
  • Es ist erkennbar, dass es sich bei dem Zylinderblock 100 um ein strukturell uneinheitliches Werkstück handelt, bei dem insbesondere jede der Zylinderbohrungen 101-104 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 102 und 103 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.
  • Das durch den Zylinderblock gebildete Werkstück 100 ist auf einem nicht-gezeigten Werkstücktisch einer nicht näher dargestellten Honmaschine mit zwei Honspindeln aufgespannt, wobei nur eine Honspindel 120 gezeigt ist. Die durch die Innenflächen 130 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. Die Honmaschine umfasst für jede ihrer Honspindeln einen Spindelmotor zur Drehung der Honspindel um ihre Längsachse sowie einen Hubantrieb zur Erzeugung einer Vertikalbewegung der Honspindel beim Einführen des Honwerkzeuges in das Werkstück bzw. beim Herausziehen aus dem Werkstück. Der Hubantrieb wird während der Bearbeitung so angesteuert, dass das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung eine vertikale Hin- und Herbewegung ausführt, die sich der Rotationsbewegung des Werkstückes überlagert (siehe Pfeile).
  • Am unteren Ende der Honspindel ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeuges 150 angekoppelt, bei dem es sich um ein kardanisch gelagertes Honwerkzeug mit Doppelaufweitung handelt. Das Honwerkzeug hat einen Werkzeugkörper 155, der an einer Seite seines Umfanges eine durch eine einzige Honleiste gebildete Schneidgruppe 160 trägt, die mit Hilfe eines nicht näher dargestellten Schneidgruppen-Zustellsystems in radialer Richtung zur Bohrungsinnenwand zugestellt bzw. zurückgezogen werden kann. Weiterhin ist am Werkzeugkörper ein Satz von um den Umfang des Honwerkzeuges ungleichmäßig verteilten Führungsleisten 170 vorgesehen, die mit Hilfe eines Führungsleisten-Zustellsystems unabhängig von der Schneidgruppe 160 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 113, 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 180 der Honmaschine unabhängig voneinander gesteuert, wobei insbesondere die Zustellkraft der Schneidgruppe 160 hochgradig dynamisch in Abhängigkeit von der Hubposition des Honwerkzeuges (gemessen entlang der Bohrungsachse) und der Winkelposition der Schneidgruppe (in Umfangsrichtung) in schnellem Wechseln gezielt variiert werden kann.
  • Die Fig. 2 bis 4 zeigen Elemente verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Honwerkzeuge, die insbesondere für die Bearbeitung von Zylinderlaufflächen in Zylinderblöcken ausgelegt sind. Das Honwerkzeug 200 in Fig. 2 hat eine auf einer Seite der Werkzeugachse 201 angeordnete Schneidgruppe 260 mit zwei am Umfang des Werkzeugkörpers 255 umfangsversetzt angebrachten, durch Honleisten gebildeten Schneidstoffkörper 261, die während des Honens in einem Eingriffswinkelbereich 265 von ca. 45° an der Bohrungsinnenwand angreifen. Ihre axiale Länge beträgt zwischen 30% und 50% der axialen Länge 266 des Honwerkzeuges. Weiterhin umfasst das Honwerkzeug eine integrierte Axialführungseinrichtung, die im Beispielsfall durch eine Anzahl von gleichmäßig um den Umfang des Honwerkzeug verteilten Führungsleisten 270 gebildet wird, die unabhängig von den Honleisten 261 der Schneidgruppe 260 radial zustellbar sind. Die Führungsleisten erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge 266 des Honwerkzeuges, die Honleisten 261 sind im axialen Mittelbereich (bei anderen Ausführungsformen im unteren Endbereich) der durch die Führungsleisten definierten Abstützlänge angebracht.
  • Das Honwerkzeug 300 in Fig. 3 hat eine auf einer Seite der Werkzeugachse 301 angeordnete Schneidgruppe 360 mit zwei am Umfang des Werkzeugkörpers 355 umfangsversetzt angebrachten, durch Honleisten gebildeten Schneidstoffkörper 361, die während des Honens in einem Eingriffswinkelbereich von ca. 45° an der Bohrungsinnenwand angreifen. Ihre axiale Länge beträgt zwischen 60% und 80% der axialen Länge des Honwerkzeuges. Es gibt keine Führungsleisten. Die Axialführungseinrichtung 370 des Honwerkzeuges umfasst einen am spindelseitigen Ende des Werkzeugkörpers angebrachten Führungsabschnitt 371 mit kreiszylindrischer Aussenfläche, der in einer außerhalb des Werkstückes angeordneten und an der Honmaschine befestigten Führungseinheit 372 (obere Führung) axial und rotatorisch geführt ist.
  • Fig. 4 zeigt einen senkrecht zur Werkzeugachse 401 geführten Schnitt durch ein Honwerkzeug 400, bei dem es sich um eine Variante des in Fig. 2 gezeigten doppelt aufweitbaren Honwerkzeuges handelt. Die einseitig der Werkzeugachse 401 angebrachte Schneidgruppe 460 umfasst zwei um ca. 80° bis 90° winkelversetzt angeordnete und separat ansteuerbare Schneidstoffkörper 461, 462, die einen Eingriffswinkelbereich 465 von ca. 90° definieren. Die integrierte Axialführungseinrichtung umfasst sechs um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilte Führungsleisten 471-476, die mit Hilfe eines kraftbegrenzten Führungsleisten-Zustellsystems 480 in radialer Richtung auf die Bohrungsinnenwand zugestellt werden können, um das Werkzeug axial gleitbeweglich, aber in Querrichtung zur Bohrungsachse im Wesentlichen starr innerhalb der Bohrung zu führen. Die Führungsleisten bestehen aus einem harten, abriebsfesten Elastomer (hier Vulkollan ®), haben eine im Wesentlichen glatte Andruckfläche und üben bei der axial oszillierenden und rotierenden Bewegung des Honwerkzeuges in der Zylinderbohrung keinen Materialabtrag aus.
  • Die Schneidgruppe 460 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 der werkzeughalbierenden Werkzeugebene 490 liegen, die die Werkzeugachse 401 enthält und senkrecht auf der Winkelhalbierenden der Schneidgruppe 460 steht. Auf der Seite der Schneidgruppe befindet sich im Wesentlichen nur eine, zwischen den Schneidstoffkörper angebrachte Führungsleisten 471 sowie ein Teil der senkrecht dazu ausgerichteten Führungsleisten. Auf der der Schneidgruppe im Bezug auf die Werkzeugachse 401 diametral gegenüberliegenden Seite ist eine hohe räumliche Dichte von Führungsleisten entsprechend einer vergleichsweise großen Andruckfläche vorgesehen, so dass sich die bei Andruck der Schneidstoffkörper an die Bohrungsinnenwand entstehende, auf die gegenüberliegenden Führungsleisten 473 - 475 wirkende Gegenkraft in einen relativ niedrigen Anpressdruck dieser Führungsleisten an der Bohrungsinnenwand umsetzt, wodurch eine die Bohrungswand schonende, leichtgängig Axialführung des Honwerkzeuges innerhalb der Bohrung erreicht wird.
  • Die Zustellbewegung der Schneidstoffkörper 461 der Schneidgruppe 460 wird mit Hilfe eines Schneidgruppen-Zustellsystems 450 gesteuert, welches in zwei unabhängig voneinander betätigbare Teilsysteme unterteilt ist. Ein Basiszustellsystem 452 hat einen relativ großen Verstellweg von mehreren Millimetern und dient dazu, die radialen Außenflächen der Schneidstoffkörper 461, 462 nach Anlegen der Führungsleisten an die Bohrungsinnenwand bis auf wenige Mikrometer an die Bohrungsinnenwand zuzustellen. Die durch diese Verstellbewegung erreichte radiale Position von Trägerelementen 453 des Basiszustellsystems bleibt während der Honbearbeitung unverändert. Der mechanische Antrieb für das Basiszustellsystem sitzt in der Honmaschine, die Antriebsbewegung wird durch geeignete Zustellelemente inklusive einem koaxial in dem Werkzeugkörper sitzenden Zustellkonus (vgl. Fig. 5) bewirkt.
  • Weiterhin ist ein dynamisches Feinzustellsystem 454 vorgesehen, welches ausgehend von der durch das Basiszustellsystem vorgegebenen Radialposition eine radiale Zustellung bzw. ein radiales Zurückziehen der Schneidstoffkörper erlaubt. Als Antrieb des Feinzustellsystems dienen piezoelektrische Elemente 455, die zwischen den Trägerelementen 453 des Basiszustellsystems und den Schneidstoffkörpern angebracht sind und durch Anlegen einer elektrischen Spannung so angesteuert werden können, dass sie eine dynamische Abstandsänderung zwischen den Trägerelementen des Basiszustellsystems und den Schneidstoffkörpern ermöglichen. Das durch niedrige bewegte Massen gekennzeichnete Feinzustellsystem ist auf diese Weise hoch dynamisch ausgelegt und erlaubt während einer einzigen Umdrehung des Honwerkzeuges mehrere, z.B zwischen zwei und zehn, periodische oder aperiodische Wechsel zwischen Anstieg und Abnahme der Zustellkraft, um auch komplex gekrümmte und mit einer Vielzahl von lokalen Maxima und Minima versehene Konturen der Bohrungsinnenwand mit hoher Genauigkeit erzeugen zu können.
  • Das piezoelektrisch oder auf andere Weise angetriebene Feinzustellsystem kann auch oberhalb des Zustellkonus zwischen diesem und dem Grobzustellsystem angeordnet sein. In dieser Position kann das Feinzustellsystem sowohl auf dem rotierenden Teil der Honspindel, als auch auf dem nicht-rotierenden Teil der Honmaschine angeordnet sein.
  • In Fig. 5 sind schematisch weitere Einzelheiten eines Basiszustellsystems und eines Feinzustellsystems gezeigt, die auch bei den Honwerkzeugen gemäß Fig. 2 oder Fig. 4 in der gezeigten oder entsprechend modifizierter Weise eingesetzt werden können. Die einseitig zur Werkzeugachse 501 an dem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe 560 umfasst in diesem Beispielsfall fünf achsparallel ausgerichtete Honleisten 561, die auf einem gemeinsamen Träger 562 angebracht sind und insgesamt einen Eingriffswinkel von ca. 30° definieren. Das BasisZustellsystem 552 des Schneidgruppen-Zustellsystems 550 umfasst einen parallel zur Werkzeugachse axial verfahrbaren Konus 554. Dieser arbeitet mit einem im Werkzeugkörper radial beweglich gelagerten Trägerelement 553 zusammen, das eine dem Konus angepasste Schrägfläche besitzt, so dass nach Art eines Keilantriebes eine Axialbewegung des Konus 554 in eine Radialbewegung der Schneidgruppe umgesetzt wird. Mit Hilfe dieses Basiszustellsystems kann das Trägerelement 553 gegen die Kraft einer nach radial innen wirkenden Rückstellfeder auf eine vorgebbare Radialposition verstellt werden.
  • An der radialen Außenseite des Trägerelementes 553 ist ein piezoelektrisches Antriebselement 555 des Feinzustellsystems 556 befestigt, welches zwischen dem Trägerelement 553 und dem Trägerelement 562 für die Honleisten angeordnet ist. Die radiale Dicke des piezoelektrischen Antriebs 555 ist durch Anlegen geeigneter Steuerspannungen, die von der Steuereinrichtung 180 (Fig. 1) bereitgestellt werden, radial in einem Verstellbereich von ca. 20 µm bis ca. 60 µm verstellbar, um ggf. einen schnellen Wechsel des Zustelldruckes der Schneidstoffkörper zu ermöglichen.
  • Anhand der Fig. 6 bis 8 werden nun Anwendungsmöglichkeiten der Honwerkzeuge bzw. der Honmaschine am Beispiel der Bearbeitung der Zylinderlaufflächen eines Zylinderblockes erläutert. Zur Charakterisierung der Makroform einer Zylinderlauffläche zeigt Fig. 6 (a) einen schematischen Umfangsschrieb und Fig. 6 (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 112 (vgl. Fig. 1) 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 RO, RM und RU repräsentieren jeweils den Radius in der Nähe der oberen Eintrittsöffnung der Zylinderbohrung (RO), im axialen Mittelbereich der Zylinderbohrung (RM) und in der Nähe des unteren Endes der Zylinderbohrung (RU). In der dem Fachmann bekannten Weise sind die umlaufenden Messkurven des Umfangsschriebes jeweils auf eine konzentrisch zur Bohrungsachse liegende Nulilinie bezogen, die bei der Darstellung in Fig. 8 jeweils gestrichelt gezeichnet ist. Für alle Messkurven dient der gleiche radiale Maßstab in Radialrichtung. Die Längsschriebe in Fig. 6 (b) zeigen jeweils den Verlauf der Mantellinien (parallel zur Bohrungsachse) in den ausgewählten Umfangsbereichen bei 0°, 90°, 180° und 270°.
  • Die schematischen Messschriebe in Fig. 6 repräsentieren bei der gewählten Auflösung eine im Wesentlichen kreiszylindrische Form der Bohrungsinnenfläche mit einem Zylindrizitätsfehler ΔZ von etwa 10 µm. Ein solcher, relativ geringer Zylindrizitätsfehler wird bei manchen Anwendungen als ausreichend angesehen, um während des Betriebs der Brennkraftmaschine im Zusammenspiel mit im Wesentlichen kreisförmigen Kolbenringen über die gesamte Länge des Zylinders eine ausreichende Abdichtung zu gewährleisten.
  • Eine solche, im Wesentlichen kreiszylindrische Bohrungsform ist somit im Betriebszustand des Motors, d.h. im betriebswarmen Zustand mit aufgeschraubtem Zylinderkopf, anzustreben. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieses Ziel einer "einsatzoptimalen Bohrungsgeometrie" nicht mit ausreichender Präzision erreicht werden kann, wenn bei dem Honprozess, d.h. ohne aufgeschraubten Zylinderkopf und ggf. bei tieferen, von den Betriebstemperaturen deutlich abweichenden Temperaturen, eine im Wesentlichen kreiszylindrische Bohrungsform erzeugt wird. Vielmehr führen elastische Deformationen, die durch Verschraubung des Zylinderkopfes mit dem Zylinderblock und durch erhöhte Temperaturen im Betrieb entstehen, zu signifikanten Abweichungen von der gewünschten kreiszylindrischen Form. Zur Vermeidung dieser Probleme wird bei einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wie folgt vorgegangen.
  • In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Zylinderblock einer zu fertigenden Serie von Zylinderblöcken in die Honmaschine eingespannt. Dann wird der Zylinderblock mit Hilfe einer Spanneinrichtung verspannt, die im Wesentlichen die Spannkräfte simuliert, die auf den Zylinderblock wirken, wenn ein Zylinderkopf auf den Zylinderblock aufgeschraubt ist. Dadurch kann der Verspannungszustand des Zylinderblockes im Betriebszustand annähernd eingestellt werden. Hierzu kann eine Spanneinrichtung gemäß der Patentschrift DE 28 10 322 C2 verwendet werden, deren Inhalt insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht wird. Alternativ kann auch eine Verspannung vorgenommen werden, wie sie in der japanischen Patentanmeldung JP 11 267960 beschrieben ist. Falls gewünscht kann der Zylinderblock noch deutlich über die Umgebungstemperatur hinaus erwärmt werden, um insgesamt die Bedingungen bei einem betriebswarmen, fertig montierten Rumpfmotor zu simulieren.
  • Im nächsten Verfahrensschritt werden die Zylinderbohrungen des verspannten und ggf. aufgeheizten Zylinderblockes in einem einstufigen oder mehrstufigen Honverfahren gehont, um eine möglich kreiszylindrische Bohrungsform zu erhalten. Bei typischen Verfahrensvarianten wird in dieser Phase der Bearbeitung ein Zylinderformfehler ΔZ von weniger als 10 µm erreicht. Typische Messschriebe bei der Ermittlung der Bohrungsform können die in Fig. 6 gezeigten Charakteristika zeigen. Eine typische bearbeitete Zylinderbohrung hat nach diesem Fertigungsschritt in allen Axialpositionen einen weitgehend kreisrunden Umfang mit einer Oberflächenkontur ohne ausgeprägte Maxima, Minima oder Wendepunkte sowie in Axialrichtung (Längsschrieb) an unterschiedlichen Positionen entlang des Umfanges praktisch keine oder nur eine sehr geringfügige, allmähliche Variation des Radius bzw. des Durchmessers (Fig. 6(b)).
  • Nach Abschluss dieser Phase der Bearbeitung wird die Spanneinrichtung abgenommen, so dass die durch die Spanneinrichtung und ggf. durch Temperatureinwirkung erzeugten elastischen Deformationen im Werkstück abgebaut werden und dieses einen entspannten Zustand einnimmt.
  • In diesem entspannten Zustand wird die Bohrungsgeometrie der gehonten Zylinderbohrungen vermessen, und zwar separat für jede der Zylinderbohrungen. Fig. 7 zeigt ein Beispiel für die entsprechend Fig. 6 aufgenommenen Messschriebe in Umfangsrichtung (Fig. 7 a) und in Axialrichtung (Fig. 7b) der randständigen vierten Zylinderbohrung 104 in Fig. 1. Es ist erkennbar, dass die Bohrung in der Nähe der zylinderkopfseitigen Eintrittsseite (repräsentiert durch die Kurve RO) 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 RM) 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 RU, 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, wie sie anhand von Fig. 6 erläutert wurde.
  • Bei der hier beschriebenen Verfahrensvariante wird nun die komplex verformte Bohrungsgeometrie nach Wegnahme der Spannvorrichtung vermessen, um auf diese Weise die lokalen Radien der verzerrten Form in Abhängigkeit von der Axialposition und der Umfangsposition zu ermitteln. Auf diese Weise wird ein Datensatz ermittelt, der die nach der Entspannung vorliegende, komplex und unsymmetrisch verformte Bohrungsgeometrie darstellt. Diese komplexe Bohrungsform entspricht einer "Negativform", die bei der Bearbeitung der anderen Zylinderblöcke der Serie durch formgebende Honbearbeitung erzielt werden soll, wenn die bearbeiteten Zylinderbohrungen im montierten Zustand des Motors eine weitgehend zylindrische Form mit geringem Zylindrizitätsfehler haben sollen.
  • Die Geometriedaten, die die komplex unsymmetrische Bohrungsform gesondert für jede Zylinderbohrung repräsentieren, werden in geeigneter Form in der Steuereinrichtung 180 gespeichert. Bei der Honbearbeitung können sie mit Messwerten eines Dimensionsmessystems mit werkzeuginternen Sensoren (z.B. Luftmesssystem) verglichen und in zugehörige Daten für den Zustelldruck umgerechnet werden, mit dem eine einseitige an einem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe beaufschlagt werden muss, um bei axial starrer Führung des Honwerkzeuges und Steuerung der Zustellkraft der Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Axialposition und der Winkelposition des Honwerkzeuges die komplex unsymmetrisch geformte Bohrungsform zu erzielen.
  • Auf Basis des erhaltenen Datensatzes werden nun nachfolgende Zylinderblöcke der Serie mittels Formhonen bearbeitet. Bei der Serienbearbeitung ist kein Verspannen und/oder Aufheizen der einzelnen Zylinderblöcke für die Honbearbeitung mehr nötig. Vielmehr wird durch die Honbearbeitung an spannungsfreien Werkstücken die anhand Fig. 7 exemplarisch erläuterte Negativform der Zylinderbohrung mit Hilfe der in der Steuereinrichtung gespeicherten Daten erzeugt.
  • Fig. 8 zeigt exemplarisch für zwei Axialpositionen des Zylinders (repräsentiert durch die Kurven RO und RM in Fig. 8 (a)) den hub- und drehwinkelabhängigen Radienverlauf der Bohrung (in Fig. 8 (a)) und in Fig. 8 (b) den Verlauf der Zustellkraft F über den Drehwinkel φ, jeweils in die entsprechenden axialen Höhen. In Fig. 8 (b) repräsentiert die gestrichelte Kurve FO diejenige Variation der Zustellkraft über den Drehwinkel, die erforderlich wäre, wenn ein Honwerkzeug, dessen Schneidgruppe im oberen Endbereich der Zylinderbohrung rotiert, die Innenfläche bearbeitet. Die durchgezogene Linie FM entspricht der zeitlichen Variation bzw. Winkelvariation, die im Mittelbereich der Bohrung (RM) erforderlich wäre. Während die annähernd, aber nicht exakt 2-zählig radialsymmetrische Bohrungsquerschnittsform am oberen Ende im Wesentlichen durch eine Variation der Zustellkraft mit zwei lokalen Maxima und dazwischenliegenden lokalen Minima sowie eine kurzzeitige Zustellkraftspitze bei 180° erreicht werden kann, erfordert das Formhonen im Mittelbereich der Bohrung (Kurve RM) bei einer einzigen Umdrehung des Honwerkzeuges einen vielfachen, schnellen Wechsel zwischen Anstieg und Zurücknahme der Zustellkraft, der zu einer Ausbildung von sechs bis acht lokalen Minima und lokalen Maxima bei einer vollen Umdrehung führt. Einige lokalen Maxima sind in Fig. 8 (b) durch Pfeile gekennzeichnet und entsprechen im Wesentlichen den lokalen Radienmaxima der Kurve RM.
  • Wird bei der Honbearbeitung das Honwerkzeug axial oszillierend bewegt und gleichzeitig um seine Werkzeugachse rotiert, so ergibt sich der tatsächliche zeitliche Verlauf der auf die Schneidgruppe wirkenden Zustellkraft aus einer Überlagerung der hier zur Vereinfachung erläuterten Verläufe, wobei sich auch die starke Variation in Axialrichtung (Fig. 7(b)) in einen Beitrag zur Variation der Zustellkraft 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 des Zustellsystems 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 Zustellkraft verarbeitet werden. Durch diesen Regelkreis ist eine verbesserte Genauigkeit des Formhonprozesses erzielbar.
  • In der Regel werden die materialabtragenden Bearbeitungsschritte zur Erzeugung der 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 vorgebenden 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 Beeinflussung der Makroform verändern können.
  • Die Fig. 9 und 10 zeigen in Draufsicht bzw. Querschnitt eine Schneidgruppe 960, die für eine "Plateauhonbearbeitung" unsymmetrischer Bohrungsformen optimiert ist, um die nach der formgebenden Honbearbeitung noch vorliegenden Spitzen des Rauheitsprofiles zu schneiden und dadurch den Traganteil der Oberfläche zu erhöhen. Da in den vorangegangenen Bearbeitungsschritten eine Bohrungsform mit ggf. sehr kleinen lokalen Radien im Bereich von lokalen Minima oder Maxima erzeugt werden kann, wird ein Honwerkzeug bereitgestellt, dessen Schneidgruppe 960 in der Lage ist, die gewellte Oberfläche einer gezielt unrund bearbeiteten Bohrung mit einem Zylindrizitätsfehler von deutlich über 10 µm weitgehend gleichmäßig zu bearbeiten. Hierzu ist ein stärker segmentiertes Honleistensystem vorgesehen, bei dem die durch Honleistensegmente gebildeten Schneidstoffkörper 961 auf einem in sich elastischen Grundkörper 965, beispielsweise einer Platte aus einem gummiartigen Werkstoff, aufgebracht sind. Dieser in sich elastische Grundkörper ist auf dem eigentlichen Grundmaterial 966 der Honleiste, beispielsweise einem Träger aus Stahl, Kupfer oder dergleichen durch Verkleben oder auf andere Weise aufgebracht. Im Beispielsfall haben die quadratischen Honleistensegmente 961 eine Ausdehnung von 10mm x 10mm. Damit ist bei der Plateauhonbearbeitung eine flächige Anlage der Segmente an die formgehonte Bohrung abgesichert, da sich die Schneidstoffkörper 961 unter lokaler elastischer Verformung des elastischen Grundkörpers 965 dem welligen Verlauf der Bohrungsinnenfläche anpassen können.
  • Honwerkzeuge mit einer oder mehreren derartigen Schneidgruppen können unabhängig von den sonstigen Merkmalen der Erfindung und den hier beschriebenen Verfahren auch bei anderen Honverfahren zur abschließenden Bearbeitung von Bohrungen in Werkstücken eingesetzt werden.

Claims (14)

  1. 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 axial beweglich und um seine Werkzeugachse rotierend angetrieben wird und eine an dem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt wird, eine im Wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges zur Erzeugung einer Axialbewegung des Honwerkzeuges im wesentlichen parallel zur Bohrungsachse der Bohrung erfolgt und eine zeitlich asymmetrische Steuerung der Zustellkraft einer an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Winkelposition und ggf. von der Hublage des Honwerkzeuges derart durchgeführt wird, dass die Bohrung zumindest in einem axialen Bohrungsabschnitt eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform erhält, dadurch gekennzeichnet, dass nach der formerzeugenden Honoperation zur Erzeugung der unrunden Bohrungsform mindestens eine im Wesentlichen formneutrale Bearbeitungsoperation zur Bearbeitung oberflächennaher Bereiche der Innenfläche durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die formneutrale Bearbeitungsoperation eine Plateauhonbearbeitung ist, bei der Spitzen des durch die vorangegangenen Honoperationen erzeugten Rauheitsprofils geschnitten werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin bei der im Wesentlichen formneutralen Bearbeitungsoperation ein Plateauhonwerkzeug verwendet wird, das maximal 7 separate Schneidstoffkörper aufweist, welche auf einem metallischen Federsystem gestützt sind.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin bei der im Wesentlichen formneutralen Bearbeitungsoperation die Innenfläche der Bohrung mit einer Vielzahl von relativ zueinander beweglichen, elastisch gelagerten Schneidstoffkörpern bearbeitet wird, die in Umfangsrichtung des Honwerkzeuges eine maximale Ausdehnung von weniger als 3 % des Wirkumfanges des Honwerkzeuges haben und/oder die in Axialrichtung des Honwerkzeuges eine maximale Ausdehnung von weniger als 10 % der Länge des Schneidbereiches des Honwerkzeuges haben.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin bei der im Wesentlichen formneutralen Bearbeitungsoperation mindestens eines der folgenden Bearbeitungswerkzeuge verwendet wird:
    ein Bürstwerkzeug;
    ein berührungslos arbeitendes Bearbeitungswerkzeug, welches die Oberflächenstruktur der Bohrungsinnenfläche ohne Beeinflussung der Makroform verändert, insbesondere ein Laser oder ein Wasserstrahlerzeuger.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin bei der im Wesentlichen formneutralen Bearbeitungsoperation ein Bearbeitungswerkzeug verwendet wird, bei dem Schneidstoffkörper mittels einer metallischen Feder oder dergleichen an die Innenfläche der Bohrung angelegt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin bei der der formneutralen Bearbeitungsoperation vorgeschalteten formerzeugenden Honoperation eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform erzeugt wird, die von einer bezogen auf die Bohrungsachse 2-zählig radialsymmetrischen Form signifikant abweicht, wobei vorzugsweise 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=(DA-DI)/2, wobei DA der Durchmesser eines die Innenfläche der Bohrung außen berührenden Zylinders und DI der Durchmesser eines die Innenfläche der Bohrung innen berührenden Zylinders ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin für die der formneutralen Bearbeitungsoperation vorgeschaltete formerzeugenden Honoperation ein Honwerkzeug mit einer einseitig der Werkzeugachse an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe verwendet wird, das eine einzige Schneidgruppe mit einem oder mehreren Schneidstoffkörpern aufweist, die alle auf einer Seite des Honwerkzeugs angeordnet sind, oder das mehrere unabhängig voneinander zustellbare Schneidgruppen aufweist, wobei durch die Steuerung sichergestellt ist, dass der Anpressdruck einer Schneidgruppe unabhängig vom Anpressdruck anderer, in anderen Umfangspositionen angeordneter Schneidgruppen ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin für die der formneutralen Bearbeitungsoperation vorgeschaltete formerzeugende Honoperation ein Honwerkzeug verwendet wird, das zur im Wesentlichen starren Führung der Axialbewegung innerhalb der Bohrung axial gleitbeweglich und quer zur Werkzeugachse im Wesentlichen unbeweglich abgestützt wird, wobei vorzugsweise 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.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin bei der der formneutralen Bearbeitungsoperation vorgeschalteten formerzeugenden Honoperation eine gegen Querbelastung starre Kopplung des Honwerkzeuges an eine gegen Querbelastung starr geführte Honspindel vorgesehen ist, um die starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges zu gewährleisten.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin bei der der formneutralen Bearbeitungsoperation vorgeschalteten formerzeugenden Honoperation die Schneidgruppe mittels eines Basiszustellsystems bis in eine vorgebbare Radialposition zugestellt wird und ausgehend von der durch das Basiszustellsystem vorgegebenen Radialposition eine radiale Zustellung bzw. ein radiales Zurückziehen der Schneidgruppe mittels eines unabhängig von dem Basiszustellsystem betätigbaren dynamischen Feinzustellsystems erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin während und/oder nach einer formerzeugenden Honoperation eine Vermessung der Bohrungsform zur Ermittlung von Form-Istwerten durchgeführt wird und eine Differenz zwischen den Form-Istwerten und der Sollform zur Korrektur der Steuerung der Zustellkraft verarbeitet wird.
  13. Honwerkzeug, insbesondere zur Durchführung der formneutralen Bearbeitungsoperation bei dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Werkzeugkörper, der eine Werkzeugachse definiert, einer an dem Werkzeugkörper angebrachten Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zum materialabtragenden Bearbeiten der Innenfläche, und einem der Schneidgruppe zugeordneten Schneidgruppen-Zustellsystem zur Ausübung einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft auf die Schneidstoffkörper der Schneidgruppe, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidgruppe (960) eine Vielzahl von relativ zueinander beweglichen, elastisch gelagerten Schneidstoffkörpern aufweist, die in Axialrichtung des Honwerkzeuges eine maximale Ausdehnung von weniger als 10 % der Länge des Schneidbereiches des Honwerkzeuges haben und/oder die in Umfangsrichtung des Honwerkzeuges eine maximale Ausdehnung von weniger als 3 % des Wirkumfanges des Honwerkzeuges haben.
  14. Honwerkzeug nach Anspruch 13, worin durch Honleistensegmente gebildete Schneidstoffkörper (961) auf einem in sich elastischen Grundkörper (965), insbesondere einer Platte aus einem gummiartigen Werkstoff, aufgebracht sind, wobei der Grundkörper auf einem Grundmaterial (966) der Honleiste, insbesondere einem Träger aus Stahl, Kupfer oder dergleichen, aufgebracht ist.
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