EP3148743A1

EP3148743A1 - Verfahren zum bearbeiten von lager- oder führungsbohrungen und einrichtung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: EP3148743A1
Application number: EP15726130.6A
Authority: EP
Inventors: Siegfried Gruhler; Christoph HINTERMEIER; Jürgen Graf; Matthias SCHEIBLE
Original assignee: Mauser Werke Oberndorf Maschinenbau GmbH
Current assignee: Mauser Werke Oberndorf Maschinenbau GmbH
Priority date: 2014-06-02
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2017-04-05
Also published as: WO2015185451A1; DE112015000437A5; CN106457502A

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren, bei dem eine Lage- oder Führungsbohrung feingebohrt und dann strukturiert wird. Im Anschluss an das Strukturieren zur Ausbildung von Schmiermittelhaltebereichen erfolgt dann eine Feinstbearbeitung durch Glätten oder Rollieren.

Description

Verfahren zum Bearbeiten von Lager- oder Führungsbohrungen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Lager- oder Führungsbohrungen oder entsprechend wirkenden Ausnehmungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. In der DE 10 201 1 000 348 A1 ist ein Verfahren offenbart, bei dem eine Innenum- fangsfläche einer Bohrung eines Werkstücks zunächst mittels eines radial verstellbaren Feinbohrkopfs feinbearbeitet wird. Dieses Feinbohren kann zweistufig erfolgen. Im An- schluss an das Feinbohren erfolgt zur weiteren Verringerung der Rautiefe eine Honbearbeitung.

Dabei kann ein Spiralgleithonen eingesetzt werden, durch das die Bohrungsoberfläche mit einer Kreuzstruktur versehen wird. Diese sich kreuzenden Riefen bilden ein Schmiermittelreservoir, so dass die Tribologie der Gleitpaarung aufgrund der erhöhten Schmiermittelhaltefähigkeit verbessert ist. Einzelheiten zu diesem Spiralgleithonen sind dem Online-Magazin www.mtz-online.de (MTZ 04/2009, Jahrgang 70, Seiten 324 bis 329) entnehmbar.

Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass die Feinbearbeitung und die Hon-bear- beitung an unterschiedlichen Bearbeitungseinheiten erfolgt, so dass sowohl der vorrichtungstechnische Aufwand als auch der verfahrenstechnische Aufwand zum Transport der Werkstücke zwischen den Bearbeitungseinheiten hoch ist.

Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten von Lager- oder Führungsbohrungen oder sonstigen Ausnehmungen von Werkstücken zu schaffen, bei dem mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand eine verbesserte Schmiermittelhaltefähigkeit ermöglicht wird. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt zunächst ein Feinbohren der betreffenden Bohrung mittels eines Werkzeugs mit definierter Schneide oder eines Reibwerkzeugs und das Einbringen von Schmierhaltestrukturen in die Umfangswandung der Bohrung. Erfindungsgemäß erfolgt dann eine Feinstbearbeitung zur weiteren Minimierung der Rauheit nach dem Einbringen der Schmiermittelhaltestrukturen, vorzugsweise derart, dass diese zumindest mündungsseitig etwas verengt werden.

Durch diese Vorgehensweise werden sehr schmale, jedoch relative tiefe

Schmiermittelhaltestrukturen ausgebildet, die ein vergleichsweise großes Schmiermittelreservoir ausbilden, auf der anderen Seite jedoch nicht die Gesamtrauigkeit der Oberfläche wesentlich heraufsetzen. Das Werkzeug mit definierter Schneide kann an einem Feinbohrkopf gehalten sein.

Die Feinstbearbeitung wird vorzugsweise durch Umformen mittels eines entlang der Umfangswandung bewegten Glättkörpers oder durch einen Rollierprozess (Walzen) durchgeführt.

Alternativ kann die Feinstbearbeitung auch durch eine Reibbearbeitung, Honen oder dergleichen erfolgen.

Die Ausbildung der Schmiermittelhaltestrukturen erfolgt bei der erfindungsge- mäßen Lösung vorzugsweise auch mittels des mit einer definierten Schneide ausgeführten Werkzeugs, das vorzugsweise an einem Feinbohrkopf gehalten ist und somit eine Doppelfunktion hat: zunächst erfolgt das ein- oder mehrstufige Feinbohren und im Anschluss daran mit dem gleichen Werkzeug das Ausbilden (im Folgenden„Ritzen" genannt) der Schmiermittelhaltestrukturen. Alternativ können die Schmiermittelstrukturen auch durch Reiben ausgebildet werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fein- bohren durch eine Hauptschneide des Werkzeugs und das Ritzen durch eine Nebenschneide des Werkzeugs durchgeführt wird.

Das heißt, bei einer derartigen Variante erfolgt das Feinbohren durch Vorschub des Feinbohrkopfs in einer Richtung (Einfahren) und das Ritzen durch Rückzug des Feinbohrkopfes in der Gegenrichtung, wobei einmal die Hauptschneide und das andere Mal die Nebenschneide in Eingriff gelangt.

Bei einer alternativen Lösung erfolgt das Feinbohren zweistufig mit einem Vorfein- bohren mittels der Hauptschneide und einem Rückfeinbohren durch Rückzug des Fein- bohrkopfs mittels der Nebenschneide. Für das Ritzen kann dann eine eigene Riefenschneide am Feinbohrkopf vorgesehen sein.

Prinzipiell kann das Ausbilden der Schmiermittelhaltestruktur auch während des Rückzugs durch mehrmaliges Anhalten (Stottern) des Werkzeugs durchgeführt werden, so dass dann während eines„Stopps" eine umlaufende Rille ausgebildet wird.

Gemäß einer weiteren Alternative kann während des Rückzugs der Vorschub des Werkzeugs (Feinbohrwerkzeug, Reibwerkzeug) erhöht werden, so dass eine spiralförmige Rille ausgebildet wird.

Prinzipiell ist es auch möglich, eine Kreuzstruktur auszubilden, wobei beispielsweise beim Rückzug die in einer Richtung angestellten Rillen und bei einem erneuten Einfahren die quer dazu laufenden Rillen ausgebildet werden. Bei einem mit einer definierten/bestimmten Schneide ausgebildeten Werkzeug zum Feinbohren und Ausbilden der Schmiermittelhaltestruktur kann die Schneidengeometrie so ausgelegt sein, dass eine Hauptschneide einen Radius hat, der größer oder gleich ist als/wie der Radius einer Nebenschneide. Vorzugsweise liegt das Verhältnis der Radien der Hauptschneide und der Nebenschneide im Bereich von etwa 4:1 und 1 :1 . Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Hauptschneide etwa das Doppelte wie der Durchmesser der Nebenschneide.

Der Schneidenradius kann dabei im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm liegen. Bevorzugt ist der Radius einer Hauptschneide von etwa 0,4 mm und der Radius einer Nebenschneide von etwa 0,2 mm.

Der Übergang zwischen dem Radius der Hauptschneide und dem Radius der Nebenschneide kann tangential ausgebildet sein. Prinzipiell ist es auch möglich, diesen Übergang durch Versetzen der Mittelpunkte der Radien auszubilden. Ein besonderer Vorteil der Ausführungen, bei denen die Feinbearbeitung und die

Ausbildung der Schmiermittelhaltestrukturen über eine Hauptschneide und eine Nebenschneide eines Werkzeugs erfolgen liegt darin, dass bei einer Durchmesserkompensation aufgrund eines Verschleißes (Verschleißkompensation) der Relativabstand der Radien zueinander konstant bleibt, so dass die Steuerung der Oberflächenparameter ge- genüber Varianten mit getrennten Schneiden/Werkzeugen zum Feinbearbeiten und zum Ausbilden der Schmiermittelhaltestrukturen deutlich vereinfacht ist. Wie im Folgenden noch erläutert, erfolgt diese Verschleißkompensation aufgrund der über die Post- prozessmesseinrichtung erhaltenen Messungen. Prinzipiell ist es auch möglich, die Schneiden (Hauptschneide oder Nebenschneide) optisch zu vermessen. Eine derartige direkte Messeinrichtung hat beispielsweise einen Laserstrahl zum Vermessen der Schneiden.

Die Verschleißkompensation kann dynamisch mit einer Aussteuerbewegung des Werkzeugs, beispielsweise über einen Membrankopf oder aber auch über Maschinen- achsen erfolgen. Bei letztgenannter Lösung ist der Feinbohrkopf beispielsweise entlang zweier NC-Achsen verstellbar. Zur weiteren Verbesserung der Schmiermittelhaltefähigkeit können zusätzlich nach dem Feinstbearbeiten/Glätten Rillen oder Dimples ausgebildet werden. Diese Bearbeitung kann beispielsweise durch einen Laser, vorzugsweise einen Pico-Laser, erfolgen.

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn der Mittenrauwert R_a nach der

Feinstbearbeitung zwischen 0,1 und 0,5 μιτι liegt.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist mit einer Maschinen- Steuerung ausgeführt, die dazu ausgelegt ist, ein Feinbohrwerkzeug oder ein Reibwerkzeug zum Feinbohren und zum Ausbilden der Schmiermittelhaltestrukturen anzusteuern.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Steuerung auch zum Ansteuern eines Rollier- oder Glättwerkzeugs ausgelegt ist, mit dem die Feinstbearbeitung / das Glätten der Bohrung erfolgt.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist vorzugsweise eine Invers- maschine, wie sie in der WO 2013/038007 A2 der Anmelderin beschrieben ist. Diese Inversmaschine kann vorzugsweise mit einer Post-Prozess-Messstation ausgeführt sein, in der die bearbeiteten Werkstücke vermessen werden und dann innerhalb des Fertigungsprozesses entsprechend die Bearbeitungsschritte, insbesondere die Kompensation eines Schneidenverschleißes gesteuert werden. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch Wahl der

Feinstbearbeitungsparameter, beispielsweise durch Erhöhen des hydrostatischen Druckes beim Rollieren oder durch Variation der Vorschübe beim Feinbearbeiten und beim Ausbilden der Schmiermittelhaltestrukturen die wesentlichen Oberflächenparameter, wie beispielsweise die Kenngrößen Rpk, Rk und Rvk und die Welligkeit Wt etc. gesteuert werden können.

Dem entsprechend kann durch die Steuerung der Parameter der Traganteil der bearbeiteten Oberfläche in Abhängigkeit von der jeweiligen Aufgabenstellung beein- flusst werden. Die Tiefe und der Abstand der geritzten Riefen/Rillen bestimmt dabei das Ölhaltevolumen.

Durch die Verwendung einer Postprozessmesseinrichtung können bei Verwen- dung eines Werkzeugs mit definierten Hauptschneide und definierter Nebenschneide beide Schneiden gemeinsam verschleißkompensiert werden. Die Messeinrichtung kann dabei so ausgelegt sein, dass sie eine Durchmessermessung, eine Vermessung in zumindest zwei Ebenen (beispielsweise Radialebene, Axialebene) und eine Vermessung der Oberflächenqualität/Rauigkeit ermöglicht. Bei der Durchmesser-Vermessung und/oder der Vermessung von zwei Ebenen wird vorzugsweise eine Vielzahl von Messpunkten erfasst, um die exakten Geometriedaten der Bohrung sowohl in Radialrichtung als auch in Axialrichtung zu erhalten. Die Erfassung der Rauheit (Oberflächenqualität) kann beispielsweise berührungslos, über einen Taster (Taktil) oder dergleichen erfolgen.

Wie erwähnt können zum Feinbohren und Ritzen sowohl ein Werkzeug mit definierten Schneiden oder ein Reibwerkzeug oder ein sonstiges geeignetes Werkzeug verwendet werden, wobei dieses Werkzeug jeweils zum Feinbearbeiten und zum Ritzen verwendet kann.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Konzep- tes;

Figur 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Rauigkeit;

Figur 3 eine erste Variante des Grundkonzepts gemäß Figur 1 ;

Figur 4 ein Messprotokoll eines nach dem Verfahren gemäß Figur 3 bearbeiteten Werkstücks;

Figur 5 eine weitere Variante des Verfahrens gemäß Figur 1 ;

Figur 6 Messprotokolle von nach dem Verfahren gemäß Figur 5 bearbeiteten Werkstücken; Figur 7 ein Messprotokoll einer nach dem Feinbearbeiten/Ritzen durchgeführten Messung;

Figur 8 ein Messprotokoll einer nach dem Rollieren durchgeführten Messung; Figur 9 eine Prinzipdarstellung eines Schneidenaufbaus eines Feinbohrwerk- zeugs;

Figur 10 eine Prinzipdarstellung einer Schmiermittelhaltestruktur mit Dimples; Figur 1 1 eine Inversmaschine zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens und

die Figuren 12 und 13 Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ver- fahrens mit Post-Prozess-Messung.

Figur 1 a zeigt das Grundkonzept des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dabei verwendeten Werkzeuge/Werkzeug köpfe. Im Prinzip geht es darum, an einer Um- fangsfläche 2 einer Bohrung, beispielsweise einer Lagerbohrung oder einer Führungs- bohrung eines Werkstücks eine Schmiermittelhaltestruktur 4 auszubilden, die zur Aufnahme eines Schmiermittels, beispielsweise Öl, dient.

Diese Struktur kann, wie in Figur 1 b dargestellt, rillenförmig, das heißt durch eine oder mehrere Umfangsnuten, oder aber als spiralförmige Struktur oder mit sich kreu- zenden spiral- oder gewindeförmigen Strukturen (Kreuzstruktur) ausgebildet werden.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zunächst ein Feinbohren des Werkstücks mittels eines in Figur 1 c oben dargestellten radial verstellbaren Feinbohrkopfs 6. Dieser kann beispielsweise als Membran- köpf ausgebildet sein, wie er in der AT 404 001 B, der DE 10 2014 107 461 .0 oder der WO 2013/01 1027 A1 offenbart ist. Derartige Feinbohrköpfe sind als Membrankippkopf ausgebildet, bei dem eine Werkzeugaufnahme an einem Membrankopf 10 kippbar gelagert ist. Dieser ist unmittelbar oder mittelbar mit einem Kulissenstein verbunden, der in einer Gabel mit schräg zur Achse angeordneten Führungsflächen geführt ist. Die Gabel kann mittels einer Stelleinrichtung, beispielsweise eines Planzugs 12, in Axialrichtung verstellt werden, so dass entsprechend die Werkzeugaufnahme um den Kipppunkt des Membrankopfs 10 gekippt wird, um eine Radialverstellung zu bewirken. Ein Werkzeughalter ist in der Darstellung gemäß Figur 1 c mit dem Bezugszeichen 8 versehen. Die Feinstbearbeitung, auch Glätten genannt, erfolgt über ein in Figur 1 c unten dargestelltes Wälz- oder ein Rollierwerkzeug 14, wie es in der

WO 2012/107582 A1 offenbart ist.

Anstelle des Rollier- oder Wälzwerkzeugs kann auch ein Glättwerkzeug mit stillstehendem Diamantglättkörper verwendet werden, wie es beispielsweise in der

DE 10 2007 017 800 A1 gezeigt ist. Alternativ kann auch ein Reiben mittels eines Reibwerkzeugs zur Feinstbearbeitung verwendet werden.

Bei einem Rollier- oder Wälzwerkzeug ist ein oder mehrere Wälzkörper 18 gemäß der Darstellung in Figur 1 d hydrostatisch gelagert, wobei die Umformkraft im Wesentlichen durch den Druck p des Fluids bestimmt ist, über das der Wälzkörper 18 in Anlage an die Umfangsfläche 2 des Werkstücks gepresst wird.

Mit„Konzept A" und„Konzept B" sind in Figur 1 e zwei unterschiedliche Werkzeuge bzw. Verfahren gekennzeichnet. Beim Konzept A wird ein Feinbohrwerkzeug verwendet, das einerseits eine Feinbohr-Hauptschneide 20 und eine Feinbohr-Neben- schneide 22 hat. Um 180° versetzt dazu ist eine Riefenschneide 24 vorgesehen. Bei diesem Konzept erfolgt ein Vorfeinbohren durch Einfahren des Werkzeugs mittels der Hauptschneide 20. Beim Rückzug des Werkzeugs erfolgt dann ein Rückfeinbohren mittels der Nebenschneide 22. Bei einem weiteren Einfahren des Werkzeugs wird dann mittels der in Wirkeingriff gebrachten Riefenschneide 24 die Schmiermittelhaltestruktur ausgebildet.

Beim Konzept B ist die Riefenschneide nicht vorgesehen - das Ritzen erfolgt dabei durch die Nebenschneide 24. Dementsprechend erfolgt beim Feinbohren ein Vorschub (Einfahren), bei dem die Hauptschneide 20 in Eingriff ist. Beim Zurückfahren (Rückzug) des Werkzeugs erfolgt über die Nebenschneide 22 das Ritzen, wobei in Ab- hängigkeit vom Vorschub während der Zurückbewegung (Rückzug) die Spiralform ausgebildet wird. Für eine Kreuzstruktur müsste ein nochmaliger Ritzschritt in Gegenrichtung erfolgen. Zur Ausbildung von umlaufenden Rillen kann auch während des Rückzugs der Vorschub periodisch gestoppt werden (Vorschub gleich Null oder in etwa gleich Null), so dass während dieses„Stopps" die Riefe ausgebildet wird. Im Übergang zur nächsten Riefe wird der Vorschub wieder erhöht und dann beim Erreichen der nächsten Riefenposition angehalten. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die gewünschte Schmiermittelhaltestruktur ausgebildet ist. Bei den anderen Alternativen (Ausbildung einer Spiralform) bestimmt der Vorschub die Geometrie der Spirale.

Weitere Einzelheiten werden im Folgenden erläutert.

In Figur 2 sind einige wichtige Oberflächenkenngrößen dargestellt. Dement- sprechend hat ein Rauigkeitsprofil eines Werkstückes unter anderem die Kennparameter Rpk, Rk und Rvk (Pdc), Ra, Rz, Wt.

Der Parameter Rpk steht dabei für den Traganteil oder die Plateaurauigkeit. Der Parameter Rk kennzeichnet die Kernrautiefe. Ra steht für den arithmetischen Mitten- rauwert. Die Rautiefe wird mit Rz bezeichnet. Das Ölhaltevolumen der Schmiermittelhaltestruktur ist durch den Kennwert Rvk (Pdc) bestimmt und der Kennwert Wt steht für die Welligkeit der Struktur.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es angestrebt, die Rautiefe Ra, Rzmöglichst klein zu halten und dabei den Traganteil möglichst hoch zu halten

(Plateaurauigkeit (reduzierte Spitzenhöhe Rpk und Kernrautiefe Rk) gering) und dabei die Breite b der Ölhaltestruktur, das heißt der Riefe, möglichst schmal auszugestalten, so dass die Schmierung der Gleitpaarung optimiert ist. Die Welligkeit Wt und das Ölhaltevolumen Rvk werden dann in Abhängigkeit von der jeweiligen einzustellenden Tri- bologie gesteuert (parametriert), wobei diese Parameter insbesondere durch die Wahl der Vorschübe beim Ausbilden der Schmiermittelhalte-struktur beeinflussbar sind.

Anhand der Figuren 3 und 4 wird ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß dem Konzept B des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Vor- richtung erläutert, durch die eine oder mehrere Rillen, der Schmiermittelhaltestruktur ausgebildet werden. Gemäß Figur 3a ist dabei das zur Bearbeitung verwendete Werkzeug - ein Feinbohrwerkzeug - mit der Hauptschneide 20 und der Nebenschneide 22 ausgebildet. Dieses Werkzeug kann an dem Feinbohrkopf 6 gemäß Figur 1 gehalten werden. In einem ersten Verfahrensschritt erfolgt, wie bereits erläutert, das Feinbohren der

Bohrung, wobei der Vorschub mittels der Hauptschneide (Einfahren) in der Darstellung gemäß Figur 3 nach links (siehe Pfeil oben) erfolgt.

In einem anschließenden Arbeitsgang erfolgt dann ein Rückfeinbohren in Rückzugsrichtung, bei dem die Nebenschneide in Eingriff kommt - das Feinbohren erfolgt somit zweistufig. Die Zustellung der Nebenschneide ist dabei deutlich geringer als beim Vorfeinbohren (Vorschub in Pfeilrichtung) ausgeführt.

Bei diesem Konzept B werden die Umfangsrillen dadurch ausgebildet, dass entweder beim Vorfeinbohren oder vorzugsweise beim Rückfeinbohren der Vorschub an- gehalten wird, so dass die jeweilige Schneide im gleichen Umfangsbereich in Eingriff kommt und dementsprechend die Rille ausgebildet wird. Die Anzahl der Rillen kann dann durch die Anzahl der Vorschubstopps variiert werden.

Prinzipiell könnte auch auf das Rückfeinbohren verzichtet werden, so dass bei der Rückbewegung nur geritzt wird.

Im folgenden Arbeitsgang erfolgt dann die Feinstbearbeitung, beispielsweise das Rollieren mittels des Wälzwerkzeugs 14. Es stellt sich dann eine Struktur bestehend aus einer Vielzahl von Umfangsrillen ein, wie sie in Figur 4 dargestellt sind. Diese zeigt auch ein Messprotokoll einer Messstation, mit der das feinbearbeitete Werkstück nach dem Glätten vermessen wurde. In Figur 4 oben eingetragen sind die Parameter Ra, Wt, Pdc und Rz. In der Mitte ist das Ergebnis der eigentlichen Vermessung dargestellt. Man erkennt deutlich die sich ergebende Wellenstruktur mit den zueinander beabstandeten geritzten Rillen und dem dazwischen liegenden Bereichen mit geringer Rauigkeit, durch die ein maximaler Traganteil der tribologischen Fläche gewährleistet ist. In Figur 4 unten eingetragen ist die Abbott-Kurve, aus der die Materialanteile und die oben genannten Kennwerte durch Einzeichnen einer Ausgleichsgerade ermittelbar sind. Die Auswertung der Parameter mittels einer derartigen Abbott-Kurve ist bekannt und beispielsweise in der Norm DIN EN ISO 13565-1 und -2 definiert, so dass weitere Erläuterungen unter Verweis auf diese Erläuterungen entbehrlich sind.

Die sich bei dem vorbeschriebenen Verfahren ergebende Rillenstruktur ist in Figur 4 links schematisch dargestellt.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahrenskonzept können praktisch alle vorgegebenen Rauheits- und Toleranzanforderungen vollinhaltlich erfüllt werden. Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass die Bearbeitungszeit durch die Vorschubstopps etwas verlängert wird.

Dieser Nachteil wird beim Verfahren gemäß Figur 5 beseitigt.

Diese Abbildung zeigt ein Messprotokoll das sich ebenfalls bei der Bearbeitung eines Werkstücks nach dem Konzept B ergibt. Bei diesem Konzept erfolgt das Fein- bohren zunächst über die Hauptschneide 20 des Werkzeugs. Das Ritzen erfolgt dann bei der Rückbewegung ohne Stopp des Werkzeugs über die Nebenschneide 22. Es ergibt sich eine spiralförmige Struktur, wie sie in Figur 5 unten rechts eingezeichnet ist. Die sich ergebende Riefenstruktur entspricht in etwa derjenigen aus Figur 4, wobei allerdings die Bearbeitungszeit geringer ist.

Figur 6 zeigt drei Messprotokolle, wobei das mittige Messprotokoll etwa demjenigen in Figur 5 entspricht, dabei wird der hydrostatisch beaufschlagte Wälzkörper 18 des Wälz- /Rollierwerkzeugs 14 mit einem hydrostatischen Druck von etwa 70 bar beaufschlagt. Das linke Messprotokoll ergibt sich bei einer Feinstbearbeitung, bei der ein vergleichs- weise geringer hydrostatischer Druck (50 bar) eingestellt ist.

Figur 6 rechts zeigt ein Messprotokoll eines Versuchs, bei dem bei einem vergleichsweise hohen hydrostatischen Glättdruck von 70 bar die Vorschubgeschwindig- keit des Rollierens von 0,09 mm/U (Messprotokoll in der Mitte von Figur 6) auf 0,05 mm/U verringert ist.

Anhand dieser drei Messprotokolle erkennt man, dass bei dem geringen Rollier- /Glättdruck (50 bar) die Breite b der Rillen größer ist als bei den beiden anderen Messprotokollen. Entsprechend verhält es sich bei den für die Rauigkeit maßgeblichen Parametern Ra, Wt, Pdc und Rz. Die Rauigkeiten der Versuche gemäß dem mittleren und rechten Messprotokoll unterscheiden sich nur geringfügig. Wie eingangs erläutert, ist bei einem Feinbohrkopf 8 gemäß dem Konzept A am

Werkzeughalter 8 zusätzlich noch eine Riefenschneide 24 angeordnet. Bei Verwendung eines derartigen Werkzeuges wird zunächst in einem Vorfeinbohrschritt mittels der Hauptschneide 20 ein Vorfeinbohren durchgeführt. Mit der Nebenschneide 22 wird dann beim Rückfeinbohren die eigentliche Feinbearbeitung durchgeführt. Durch Ver- schwenken der Werkzeugaufnahme um beispielsweise 180° wird dann bei einem weiteren Vorschub in Pfeilrichtung (Einfahren) (siehe Figur 3) die spiralförmige Riefenstruktur ausgebildet. Um eine Kreuzstruktur auszubilden muss dann nochmals die Riefenschneide in Rückzugrichtung in Eingriff gebracht werden. Die sich nach dem Feinbohren und Ritzen bzw. dem Feinstbearbeiten einstellende

Oberflächenstruktur sei nochmals anhand der Diagramme in den Figuren 7 und 8 erläutert, die im Grundaufbau denjenigen aus Figur 6 entsprechen.

Figur 7 zeigt dabei ein Messprotokoll, das die Oberflächenstruktur nach dem Fein- bohren und Ritzen wiedergibt. Dargestellt ist wiederum die Abbott-Kurve aus der sich der Materialanteil einer bestimmten Schnittlinie im Profil ergibt. Aus dem in der Mitte dargestellten Messprotokoll ergeben sich des Weiteren die kennzeichnenden Parameter Ra, Wt, Pdc (Rvk) und Rz. Man sieht im Messprotokoll, dass die Tiefe und die Breite b der Rillen und damit das Ölhaltvolumen Pdc relativ groß sind. Groß sind des Weiteren auch die Rauheiten Ra, Rz.

Die Rauheit wird nach dem Rollieren gemäß dem in Figur 8 dargestellten Messprotokoll ganz deutlich verringert. Dies ergibt sich auf den ersten Blick aus den Kenn- werten Ra, Rz und der Abbott-Kurve. Deutlich sichtbar ist auch, dass sich die Breite b und auch die Tiefe der Rillen und somit deren Ölhaltefähigkeit Pdc verringert hat. Die Welligkeit bleibt in etwa gleich. Die Ölhaltefähigkeit kann erfindungsgemäß durch die Wahl der Vorschübe und der Schneidengeometrie sowie die Parameter des Rollierpro- zesses (beispielsweise des hydrostatischen Glättdrucks p) an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden (projektierbar).

Figur 9 zeigt eine Prinzipskizze des Schneidenaufbaus eines beim Feinbohren verwendeten Werkzeugs mit geometrischer Schneide. Dieses Werkzeug hat die vorbe- schriebene Hauptschneide 20 und die Nebenschneide 22. Wie eingangs erläutert, hat die Hauptschneide 20 einen größeren Durchmesser R1 als die Nebenschneide 22 (R2). Der Übergang zwischen den beiden Schneiden/Radien ist bei dem in Figur 9 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch ausgebildet, dass der Mittelpunkt der Nebenschneide 22 gegenüber demjenigen der Hauptschneide nach Außen (zur Schneide hin) versetzt ist, so dass die beiden Schneiden ineinander laufen. Prinzipiell kann der Übergang auch durch Anlegen einer Tangente oder dergleichen ausgestaltet werden. Wie erläutert, ist beim Einfahren die Hauptschneide 20 mit dem großen Durchmesser R1 in Wirkeingriff. Beim Rückzug erfolgt die Bearbeitung dann über die mit vergleichsweise kleinem Radius R2 ausgeführte Nebenschneide 22. Dabei ist allerdings gegenüber der Bearbeitung mittels der Hauptschneide 20 eine wesentlich geringere Zustellung im Mikrobereich sicherzustellen, falls die Nebenschneide zur Feinbearbeitung verwendet wird. Wie erwähnt, kann über die Nebenschneide jedoch auch durch Erhöhung des Vorschubs die Schmiermittelhaltestruktur ausgebildet werden, so dass sich die in Figur 7 dargestellte Struktur ergibt. Alternativ kann durch Stottern (Anhalten des Vorschubs) eine Vielzahl von Umfangsrillen geritzt werden.

Durch diese geometrische Ausgestaltung der Schneiden 20, 22 können bei der Bearbeitung in verschiedenen Vorschubrichtungen unterschiedliche Oberflächen erzeugt werden. Aufgrund der Überlagerung der Oberflächen kann eine Oberflächen- struktur erzeugt werden, die sehr viele, genau definierte Riefen im Mikrobereich aufweist. Eine solche Anzahl an definierten Riefen ist bei herkömmlicher Verfahrensweise mit eigener Schneide für die Riefenausbildung nur bei einem sehr kleinen definierten Schneidenradius und entsprechend geringem Vorschub möglich. Ein solch geringer Schneidenradius könnte jedoch die auftretenden Schnittkräfte bei der Bearbeitung eines Stahlwerkzeuges nicht aufnehmen, so dass die Gefahr eines Materialversagens besteht. Diese Gefahr besteht bei der erfindungsgemäßen Schneidenausgestaltung mit Überlappung der Schneidengeometrie nicht.

Wie eingangs erläutert, kann zur weiteren Erhöhung der Schmiermittelhaltefähigkeit eine Struktur, beispielsweise eine Dimplestruktur ausgebildet werden, wie sie beispielhaft in Figur 10 angedeutet ist. Derartige Dimples 30 können beispielsweise mittels eines Lasers, beispielsweise eines Pico-Lasers ausgebildet werden. Die Ausbildung derartiger Dimples 30 per se ist bekannt - im Zusammenwirken mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Ölhaltestruktur jedoch ohne Vorbild.

Figur 1 1 zeigt zwei Ansichten einer Inversmaschine, mit der das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar ist. Bei einer derartigen Inversmaschine werden auf einem Werkzeugträger eine Vielzahl von Werkstücken gespannt und über X-, Y-, Z- und ggf. mehrere rotative Achsen zu den Werkstücken geführt, die in entsprechender Anzahl an einem Fach eines Maschinenrahmens gelagert sind.

Beim konkreten Ausführungsbeispiel sind in der oberen Reihe die Wälzwerkzeuge 14, in der mittleren Reihe die Feinbohrköpfe 6 und unten eine Einheit zum Zentrieren und Messen angeordnet. Das heißt, bei dieser Inverseinheit ist eine Messeinrichtung 26 (Post-Prozess-Messeinrichtung) in die Maschine integriert. Anstelle der Post-Prozess- Messeinrichtung kann auch eine direkte Messeinrichtung zur optischen Vermessung der Schneide (n) verwendet werden. Bekannt sind Lösungen, bei der diese optische Vermessung mittels eines Laserstrahls erfolgt. Bei der Post-Prozess-Messeinrichtung kann nur der Durchmesser vermessen werden. Die Messgenauigkeit ist allerdings höher, wenn der Durchmesser anhand mehrerer Messstellen erfasst wird, so dass beispielsweise Ovalitäten oder dergleichen erkennbar sind. Eine noch höhere Messgenauigkeit erhält man, wenn ein Messdorn verwendet wird, der sowohl in Radialrichtung (Durchmesser) als auch in Axialrichtung eine Vielzahl von beispielsweise induktiven Messstellen aufweist, so dass die Geometrie der Bohrung sowohl in Radialrichtung als auch in Axialrichtung erfassbar ist. Mit einem derartigen Messdorn lassen sich dann beispielsweise auch Abweichungen der Zylinderbohrung von der idealen Zylinderform, wie beispielsweise eine Trompetenform, erfassen.

Eine derartige Inversmaschine mit integrierter Post-Prozess-Messung oder direkter Schneidenvermessung erlaubt ein Verfahren, wie es in den Figuren 12 und 13 dargestellt ist. Oben rechts angedeutet, sind die beiden Hauptverfahrensschritte Feinbohren/Ritzen und Glätten (hier Rollieren). Nach dem Rollieren wird über die Post-Pro- zess-Messeinrichtung 26 das Werkstück vermessen und in Abhängigkeit von der Auswertung dieser Messung und dem Vergleich mit Soll-Werten gegebenenfalls ein Korrekturwert ermittelt. In Abhängigkeit von diesem Korrekturwert (Verschleißkompensation) wird dann gegebenenfalls die Radialverstellung des Feinbohrkopfs 6 oder genauer gesagt die Kompensation der Schneide durchgeführt. Die Verstellung der Schneide kann beispielsweise durch Ansteuerung des Feinbohrkopfs (Membrankippkopf, Piezo- Feinbohrkopf) oder durch Verstellen der Schneiden mittels der eingangs genannten Maschinenachsen erfolgen. Bevorzugt ist es jedoch, diese Schneidenkompensation über geeignete radial verstellbare Feinbohrköpfe durchzuführen.

Wie vorstehend anhand Figur 9 erläutert, kann durch die Ausbildung des Werkzeugs mit überlagerten Haupt- und Nebenschneiden 20, 22 die Verschleißkompensation gegenüber Lösungen mit getrennten Schneiden deutlich vereinfacht werden, da aufgrund des gleichbleibenden Relativabstands der Radien R1 , R2 der Schneiden die Durchmesserkompensation für beide Schneiden gleichzeitig mit höchster Präzision erfolgt.

Diese Vorgehensweise wendet sich ab von herkömmlichen Verfahren, bei denen eine Vermessung nach dem Feinbohren und nach der Feinstbearbeitung erfolgt.Die Messstation 26 kann auch außerhalb der Inversmaschine angeordnet sein. Beim Verfahrensschema gemäß Figur 13 ist zusätzlich zur Post-Prozess-Mess- station 26 noch eine optische Prüfung auf einem SPC-Platz 28 vorgesehen.

Durch das erfindungsgemäße Glätten nach der Ausbildung der Olhaltestrukturen wird vorzugsweise auch die Breite b der Rillen der Olhaltestrukturen verringert, so dass die in Figur 1 dargestellten Soll-Parameter noch besser eingehalten werden.

Die einfachste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens (Konzept B) kann mit einem vergleichsweise einfach aufgebauten Feinbohrkopf ausgeführt werden. Für eine Vorgehensweise, bei der ein Vorfeinbohren und ein Rückfeinbohren mit der gleichen Schneidengeometrie durchgeführt wird, sollte ein hochwertigerer Feinbohrkopf, wie beispielsweise der eingangs erläuterte Feinbohrkopf der Anmelderin Verwendung finden. Das gleiche gilt für Verfahrensvarianten, bei der das Ritzen über eine eigene Schneide erfolgt.

Besonders hochwertige Ergebnisse lassen sich mit einem Piezo-Feinbohrkopf erzielen, wie er in der WO 2013/01 1 072 A1 offenbart ist. Ein derartiger Piezofeinbohrkopf ermöglicht ein variables Feinbohren, wobei die Bohrungsgeometrie durch radiusvariable und/oder axialvariable Ansteuerung ovalförmig, kleeblattförmig bzw. trompetenförmig ausgebildet werden kann. Das Ritzen kann dann mit einem derartigen Kopf ebenfalls konturgetreu durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet sich besonders bei tribologisch stark beanspruchten Teilen, wie beispielsweise Pleueln oder Kurbelgehäusen (Zylinder- bohrungen) an.

Mit den erfindungsgemäßen Konzepten lassen sich auch höchste Anforderungen an die Oberflächenstruktur realisieren. So kann es beispielsweise bei einem Pleuel erforderlich sein, dass in Pleuelstangenrichtung die Lagerbohrung mit einer Rauigkeit Rz von weniger als 1 ,2 μιτι und in den restlichen drei Richtungen mit einer größeren Rauigkeit Rz ausgeführt werden muss, die beispielsweise das 1 ,5fache der Rauheit in

Stangenrichtung beträgt. Diese Anforderungen können beispielsweise folgendermaßen erreicht (projektiert) werden: man vergrößert den Ritzabstand/Ritzvorschub und erhält dann einen kleineren Rz-Wert und gleichzeitig auch ein kleineres Ölhaltevolumen (Pdc) bzw. Rvk; b) man setzt spezielle Schneiden ein, wobei z. B. die Hauptschneide einen Radius R1 von 0,4mm und die Nebenschneide einen Radius R2 von beispielsweise 0,2 mm hat - dadurch entstehen vergleichsweise tiefe Rillen (Ritze), deren Breite b vergleichsweise gering ist; c) alternativ kann durch entsprechende Parametrierung beim Rollieren, beispielsweise durch Wahl des hydrostatischen Drucks die Breite der Rille (Ritze) verringert werden.

Selbstverständlich können zur gewünschten Projektierung die oben genannten Maßnahmen auch parallel vorgesehen sein, um die gewünschte Ölhaltefähigkeit und Rauheit einzustellen.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand der Feinbearbeitung mittels eines Feinbohrwerkzeugs erläutert. Wie eingangs erwähnt, kann die Feinbearbeitung jedoch auch mit einer Reibahle bzw. einem Reibwerkzeug oder einem sonstigen geeigneten Werkzeug erfolgen. Dabei erfolgt die Feinbearbeitung beim Einfahren und während eines Rückzugs mit vergleichsweise schnellem Vorschub werden dann die Riefen (Schmiermittelhaltestruktur) ausgebildet. Im Anschluss daran erfolgt - wie oben beschrieben - das Feinstbearbeiten mittels eines Glättwerkzeugs oder eines Rollierwerkzeugs.

Offenbart ist ein Verfahren, bei dem eine Lage- oder Führungsbohrung feingebohrt und dann strukturiert wird. Im Anschluss an das Strukturieren zur Ausbildung von Schmiermittelhaltebereichen erfolgt dann eine Feinstbearbeitung durch Glätten oder Rollieren. Bezuqszeichen:

2 Umfangsfläche

4 Ölhaltestruktur

6 Feinbohrkopf

8 Werkzeughalter

10 Membran köpf

12 Planzug

14 Wälzwerkzeug

18 Wälzkörper

20 Hauptschneide

22 Nebenschneide

24 Riefenschneide

26 Messstation

28 SPC-Platz

30 Dimple

Claims

Ansprüche

1 . Verfahren zum Bearbeiten von Lager- oder Führungsausnehmungen oder sonstigen Bohrungen mit den Schritten:

Feinbearbeiten, vorzugsweise Feinbohren oder Reiben der Ausnehmung, Verringerung der Oberflächenrauigkeit durch einen Feinstbearbeitungsschritt und Einbringen von Schmiermittelhaltestrukturen in die Bohrungsumfangswandung, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstbearbeitung nach dem Einbringen der Schmiermittelhaltestrukturen erfolgt, so dass vorzugsweise die Schmiermittelhaltestrukturen durch die Bearbeitung zumindest mündungsseitig verengt werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , wobei die Feinstbearbeitung durch Glätten mittels eines Glättkörpers oder durch einen Rollierprozess/Walzprozess erfolgt.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei das Einbringen der

Schmiermittelhaltestrukturen (Ritzen) mittels eines Feinbohrwerkzeuges (6) oder eines Reibwerkzeuges oder durch einen Laser erfolgt.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2 oder 3, wobei das Feinbohren mittels einer Hauptschneide (20) des Werkzeugs und das Ausbilden der Schmiermittelhaltestrukturen mittels einer Nebenschneide (22) des Werkzeugs durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei das Feinbohren zweistufig mit einem Vorfeinbohren mittels einer Hauptschneide (20) eines Werkzeuges und einem Rückfeinbohren mittels einer Nebenschneide (22) des Werkzeuges und das Ausbilden der Schmiermittelhaltestrukturen mittels einer Riefenschneide (24) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei das Feinbohren beim Einfahren durch eine Hauptschneide (20) und ein Rückfeinbohren in Rückzug- richtung mittels einer Nebenschneide (22) erfolgt, wobei die Schmiermittelhaltestruktur beim Rückzug durch Anhalten des Vorschubs ausgebildet wird.

7. Verfahren nach Patentanspruch 3 oder einem der auf Patentanspruch 3 bezogenen Ansprüche, wobei die Feinbearbeitung mittels eines Reibwerkzeugs in Einfahrrichtung und die Ausbildung der Schmiermittelhaltestruktur bei einem Rückzug des Reibwerkzeugs mit schnellerem Vorschub erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einem Schritt zum Einbringen von Schmiermittelhilfsstrukturen, wie Rillen oder Dimples.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine Schneidengeometrie eines Feinbohrwerkzeugs eine Hauptschneide (20) mit einem Radius R1 hat, der größer oder gleich ist wie ein Radius R2 einer Nebenschneide (22).

10. Verfahren nach Patentanspruch 9, wobei das Verhältnis der Radien der Schneiden R1/R2 etwa 1 :1 bis 4:1 vorzugsweise etwa 2:1 beträgt.

1 1 . Verfahren nach Patentanspruch 9 oder 10, wobei ein Übergang zwischen dem Radius R1 der Hauptschneide (20) und dem Radius R2 der Nebenschneide (22) tangential oder mit versetzten Mittelpunkten der Schneidenradien ausgebildet ist.

12. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, deren Steuerung ausgelegt ist, einen Feinbohrkopf (6) oder ein Reibwerkzeug zum Feinbohren und zum Ausbilden der Schmiermittelhaltestrukturen anzusteuern.

13. Einrichtung nach Patentanspruch 12, wobei die Steuerung zum Ansteuern eines Rollier- oder Glättwerkzeuges ausgelegt ist.

14. Einrichtung nach Patentanspruch 12 oder 13, wobei die Einrichtung eine Inversmaschine ist.

15. Einrichtung nach einem der Patentansprüche 12, 13 oder 14, mit einer Post-Prozess-Messstation oder einer direkten Messeinrichtung zum, vorzugsweise optischen, Vermessen einer Werkzeugschneide.