EP3259098B1 - Honing method and processing machine for form honing - Google Patents
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- EP3259098B1 EP3259098B1 EP16704231.6A EP16704231A EP3259098B1 EP 3259098 B1 EP3259098 B1 EP 3259098B1 EP 16704231 A EP16704231 A EP 16704231A EP 3259098 B1 EP3259098 B1 EP 3259098B1
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- B24B49/16—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 taking regard of the load
Definitions
- the invention relates to a honing method for machining the inner surface of a bore in a workpiece using at least one honing operation according to the preamble of claim 1, and to a machine tool configured to carry out the honing method according to the preamble of claim 14.
- a preferred area of application is the honing of cylinder running surfaces in the Manufacture of cylinder blocks or cylinder liners for reciprocating engines.
- cylinder running surfaces in cylinder blocks (cylinder crankcases) or cylinder liners of internal combustion engines or other reciprocating machines are exposed to strong tribological stress during operation. Therefore, when manufacturing cylinder blocks or cylinder liners, it is important to machine these cylinder running surfaces in such a way that later, under all operating conditions, sufficient lubrication is ensured by a film of lubricant and the frictional resistance between parts that move relative to one another is kept as low as possible.
- Honing is a machining process with geometrically undefined cutting edges.
- an expandable honing tool is moved back and forth within the bore to be machined to generate a stroke movement in the axial direction of the bore at a stroke frequency and at the same time rotated at a predeterminable speed to generate a rotary movement superimposed on the stroke movement.
- the cutting material bodies attached to the honing tool are fed via a feed system with a feed force and/or feed speed acting radially to the tool axis and pressed against the inner surface to be machined.
- a cross-hatch pattern typical of honing occurs on the inner surface with crossing traces of processing, which are also referred to as "honing marks".
- the friction component of the piston group can be as high as 35%, so a reduction in friction in this area is desirable.
- a technology that is becoming more and more important for reducing friction and wear is the avoidance or reduction of cylinder distortions or deformations of the engine block (cylinder crankcase) during assembly and/or during operation.
- a cylinder bore should typically have a bore shape that deviates as little as possible, e.g. a maximum of a few micrometers, from an ideal circular cylinder shape.
- significant form defects disortions
- the causes of delays or deformations are different. These can be static or quasi-static thermal and/or mechanical loads or dynamic loads.
- the construction and design of cylinder blocks also have an impact on the tendency to deform.
- the sealing function of the piston ring pack is typically impaired by such hard-to-control deformations, which can increase blow-by, oil consumption and friction.
- the so-called form honing is a technology which is intended to ensure or approximate the creation of an ideal form after assembly or in the operating state of the engine by inverting the cylinder distortions (creating a negative form of the error) during processing.
- Honing is used to create a bore shape that deviates from the circular-cylindrical shape on the unclamped workpiece. Borehole shapes of this type are generally asymmetrical in the axial direction and/or in the circumferential direction, because the deformations of the cylinder block are also generally not symmetrical. In the operating state, the ideal circular cylinder shape should result so that the piston ring pack can seal well over the entire circumference of the bore.
- a honing method for form honing in which a bottle-shaped bore that is rotationally symmetrical with respect to the bore axis is produced, which is narrower in the vicinity of the bore entry than further away from the bore entry.
- a honing tool with axially relatively long honing stones is used.
- an axial contour can be generated or changed.
- the application also describes honing tools that have at least one ring-shaped cutting group with cutting material bodies that are designed as honing segments that are wide in the circumferential direction and narrow in the axial direction. When using such honing tools, bore shapes with axial contours can be machined particularly precisely and economically.
- the torque transmitted via the spindle to the honing tool is controlled in such a way that the torque during the stroke change phase is essentially remains constant, such shape deviations can be avoided or reduced to non-critical values.
- a relatively constant torque can be achieved over the entire bore length to be honed. This results in more consistent cutting forces throughout the honing process. Free cutting of the honing tool can be prevented.
- a torque is considered to be "substantially constant" when a deviation of the torque averaged over a stroke from a torque setpoint is less than 15%, in particular less than 10% or less than 5%.
- the processing machine or its control device can comprise a device for setting a torque setpoint and a torque window around the torque setpoint.
- the torque limits lower and upper limit of the torque permissible for the process or minimum and maximum torque
- the controller can be entered into the controller using two separate parameters. It would also be possible to enter a torque setpoint and a window width as parameters.
- a change in the speed of the honing tool that is dependent on the stroke length is generated in such a way that the speed is reduced when the stroke length is reduced.
- the honing operation is therefore carried out at least in phases with a variable speed.
- This variant can also be referred to as form honing with process-integrated speed control. If the speed is reduced in line with the decreasing stroke length, relatively uniform engagement conditions between the body of cutting material and the inner wall of the bore can be maintained, so that the desired axially varying material removal can be achieved.
- the speed can be changed as a function of the stroke according to a predetermined speed change function. If for the honing process the desired change in stroke has been defined via the honing operation, the adapted speed curve or the corresponding Speed change function entered by the operator before the honing operation and then carried out automatically by the processing machine by means of a feed-forward control. For example, if the stroke length is continuously reduced in equal steps during a stroke change phase, the speed can also be reduced continuously or in steps. More complicated relationships between stroke length and speed can also be preset if required.
- the torque of a spindle drive provided for rotating the spindle is regulated.
- a feedback path is set up for this regulation, in which the variable (torque) to be influenced is recorded directly or indirectly and the honing operation is controlled based on the values of the recording in such a way that the torque remains essentially constant or is within a definable, relatively narrow range torque window holds.
- the torque is regulated in that the torque signal representing the current torque of the spindle drive is detected on the spindle drive and compared with a setpoint value of the setpoint signal representing the torque to determine a setpoint deviation, and the control of the torque of the spindle drive in Dependence on the setpoint deviation takes place.
- the torque signal can be generated, for example, via the electrical power consumption of a servo drive or another electrical drive. Force measurements on or in the honing tool are also possible.
- a target profile of the target value of the torque is specified for a honing operation and a speed of the spindle is controlled in accordance with the target profile.
- a target torque window can be defined by specifying a minimum and a maximum permissible torque. If there are deviations in the torque recorded during the honing phase, the speed can then be increased or reduced in such a way that the torque remains within the specified torque window. In particular, the speed can be reduced when the target torque is not reached and the speed can be increased when the target torque is exceeded.
- the speed can vary between programmable minimum values and maximum values for the speed.
- a further possibility to influence the honing result lies in a targeted control of the displacement of the stroke.
- a position of an upper reversal point and/or a position of a lower reversal point of a stroke movement is changed according to a presetting.
- the stroke length i.e. the axial length between the upper and lower reversal point
- both the position of the upper reversal point and the position of the lower reversal point are changed between successive strokes at least over one phase.
- this shape variant can be produced or introduced by a stroke-dependent, variable infeed.
- variable force/displacement control can be used or contribute to contour design.
- a trumpet shape or a bell shape or bottle shape or a cone shape of a bore can be produced particularly well with this variant. Generating the desired contour using only Stroke displacement may not be sufficient in such cases.
- the infeed force or the infeed speed is varied as a function of the stroke position, ideally both in the downstroke and in the upstroke, even more complex bore shapes can be easily produced.
- the variable force/path control can be combined with stroke displacement.
- trumpet shape In order to produce special shapes, such as a trumpet shape, it can be useful if several lifting positions with different expansion forces can be programmed or specified. For example, it is possible to create a trumpet shape by using smaller distances between the stroke positions (number and position preferably freely selectable) and constant force/displacement control.
- the honing process can be carried out with differently designed honing tools.
- An expandable honing tool is preferably used during machining, which has an expandable, ring-shaped cutting group with a plurality of cutting material bodies distributed around the circumference of the tool body in an end region of a tool body remote from the spindle, with an axial length of the cutting material body being smaller than the effective outer diameter of the ring-shaped cutting group when completely withdrawn cutting material bodies.
- a honing tool is also referred to as a "ring tool” in the context of this application.
- suitable honing tools with one or two ring-shaped cutting groups and with a single widening or double widening are in WO 2014/146919 A1 specified. The revelation of the WO 2014/146919 A1 is made to this extent by reference to the content of this description.
- piezoelectrically controlled honing tools can also be used.
- the invention also relates to a processing machine configured to carry out the honing process.
- This can be a specialized honing machine or another machine tool that offers the functionalities required here.
- FIG. 1 is a schematic front view of a honing machine 100, which can be used as a processing machine within the scope of various embodiments of methods according to the invention for processing inner surfaces of bores in workpieces, on the one hand in order to carry out one or more honing operations on the workpiece in a conventional manner and on the other hand also on the same workpiece Carry out embodiments of the invention honing.
- a clamping plate 104 is fastened to the machine bed 102 of the honing machine and carries a workpiece 106 clamped thereon, which in the example is an engine block (cylinder crankcase) of a multi-cylinder internal combustion engine.
- a plurality of cylinder bores are formed in the engine block with their cylinder axes oriented generally vertically.
- the cylinder running surfaces formed by the inner surfaces of the cylinder bores are subjected to a quality-determining finishing process on the honing machine both the macro-shape of the cylinder running surfaces and their surface topography are produced by suitable honing operations.
- the honing unit 110 comprises a headstock 114 fastened to the support structure, which guides the honing spindle 116 serving as the tool spindle of the processing machine.
- the honing spindle can be rotated about its longitudinal axis (spindle axis) with the aid of a spindle drive 118 attached to the headstock.
- the spindle drive has a servo motor, which can be controlled, among other things, with regard to its speed and the torque generated.
- an articulated rod 120 Attached to the lower end of the honing spindle is an articulated rod 120, to the lower, free end of which the honing tool 200 serving as the machining tool is mechanically coupled with limited mobility, e.g. via a bayonet connection.
- limited mobility e.g. via a bayonet connection.
- a different type of drive rod e.g. a flexible rod
- a rigid coupling of the honing tool is also possible.
- a lifting drive 124 mounted on the headstock 114 causes the vertical movement of the honing spindle when the tool is inserted into the workpiece or when it is pulled out of the workpiece and is controlled during the honing process in such a way that the honing tool moves in a vertical direction parallel to the spindle axis within the bore of the workpiece - and performs her movement. Stroke length and stroke position can be set by input.
- the honing machine is equipped with an infeed system 140 which comprises two infeed devices which can be actuated independently of one another and which can be assigned to different sets of working elements on the honing tool.
- a hydraulically actuable second infeed device comprises a hydraulic cylinder in which sits a piston that can be subjected to hydraulic pressure on both sides and that is fastened to one end of a push rod 152 . This can accordingly be moved in a controlled manner parallel to its longitudinal axis in both directions by controlling the hydraulic pressure within the hydraulic cylinder. This widening can also be provided with a servo motor - force-controlled or path-controlled.
- the solid push rod 152 is disposed within a hollow push rod 162 coaxially therewith and movably relative thereto.
- the hollow push rod belongs to an electromechanical first delivery system, the drive of which is formed by an electric stepper motor acts through a gear on the outer, hollow push rod 162 to move it up and down parallel to the common axis of the push rods. This widening can also be provided with a servo motor - force-controlled or path-controlled.
- the spindle drive 118, the lifting drive 124 and the drives of the infeed system 140 are connected to a control device 180, which is a functional component of the machine control and can be operated via an operating device 190.
- the following process parameters, among others, can be set via the operating device: Position of the upper reversal point and the lower reversal point of lifting movements. This means that the stroke length and the stroke position can be defined. Stroke Intervals and Stroke Increments. As a result, time-varying strokes can be programmed. Speed, speed increment, minimum speed and maximum speed of a speed window. Delivery speed, lifting speed. Beginning of a honing phase, beginning of one or more further honing phases. Target torque and torque window and/or minimum and maximum allowable torque during a stroke change phase.
- the honing tool 200 has a single cutting group attached to the tool body in a ring shape with cutting material bodies distributed around the circumference of the tool body, which can be advanced or retracted in the radial direction by means of an associated cutting material body infeed device .
- the cutting material bodies are designed as honing segments, the width of which in the circumferential direction is significantly greater than their length in the axial direction.
- the bodies of cutting material responsible for removing material from the workpiece are concentrated in an axially relatively narrow zone (a ring of the cutting group) and occupy a relatively large proportion of the circumference of the honing tool.
- the honing tool is also referred to as a "ring tool" in this application.
- the honing tool 200 has a tool body 210 that defines a tool axis 212, which is also the axis of rotation of the honing tool during honing.
- a coupling structure for coupling the honing tool to a drive rod of a honing machine or another processing machine which has a spindle which can be rotated around the spindle axis and oscillating back and forth parallel to the spindle axis.
- the honing tool is coupled in an articulated manner to the honing spindle or to an articulated rod in order to permit limited mobility of the honing tool in relation to the honing spindle.
- a multi-axis joint e.g. a cardan joint or a ball joint, is formed at the end of the honing tool on the spindle side.
- the ring-shaped cutting group 220 which has several (in the example three) cutting material bodies 220-1, 220-2, 220-3 evenly distributed over the circumference of the tool body, which are infed radially to the tool axis 212 outwards with the aid of the cutting material body infeed device can be used to press the abrasively acting outer sides of the cutting material body with a defined pressing force or pressing force against the inner surface of a bore to be machined.
- Each of the three arcuately curved cutting material bodies is designed as a honing segment that is very wide in the circumferential direction but narrow in the axial direction and covers a circumferential angle range of between 90° and 110°.
- the honing segments are decoupled from the tool body and can be displaced radially relative to the tool axis 212 .
- the ring formed by the honing segments ends almost flush or flush with the tool body on the side facing away from the spindle.
- the ring sits entirely within the non-spindle quarters of the tool body at the non-spindle end of the ring tool.
- the axial length of the cutting material body defines the axial length of the cutting area here.
- the axial length LHS of the honing segments is less than 35%, in particular less than 15% of the bore length.
- the honing segments are approx. 5 mm to 90 mm, in particular approx. 10 mm to 70 mm high (in the axial direction), which in the example is between 5% and 50%, in particular between 10% and 20% or 30% of the effective outer diameter of the cutting group (with fully retracted tool bodies).
- the axial length LHS corresponds here at the same time to the axial length of the entire cutting area of the honing tool.
- Each body of cutting material is fastened by brazing to an outer side of an associated steel support strip 224-1, 224-2.
- the cutting material body can also be attached by gluing or by means of screws, which makes it easier to replace.
- each support bar carries only one cutting material body designed like a segment of a circle. Several individual cutting strips can also be attached to a support strip.
- Each support strip has an inclined surface on its inside which interacts with a conical outer surface of an axially displaceable, tubular or internally hollow infeed cone 232 in such a way that the support strips with the cutting material bodies carried by them are infed radially outwards when the infeed cone is moved by means of a machine-side Advance device against the force of (not shown) return springs in the direction of the end facing away from the spindle of the ring tool is pressed. With the opposite infeed movement, the support rails with the honing segments are brought back radially inward with the aid of circulating return springs. As a result, the radial position of the cutting material body is controlled without play via the axial position of the infeed cone 232 .
- FIG. 3 shows a schematic longitudinal section through an embodiment of such a bore 310 in a workpiece 300 in the form of an engine block (cylinder crankcase) for an internal combustion engine.
- the target shape of the bore is rotationally symmetrical with respect to its bore axis 312 and extends over a bore length L from a bore inlet 314 facing the cylinder head in the installed state to the bore outlet 316 at the opposite end.
- the bore can be divided into several adjacent sections with different functions, which merge smoothly, ie without the formation of steps or edges.
- a first bore portion 320 at the upstream end has a first diameter D1 and a first length L1.
- the first diameter is present over the entire first length L1, so that the first bore section has a circular-cylindrical shape.
- the first bore section transitions steplessly into an axially narrow transition section 325 with a transition radius R1 into a second bore section 330, which extends from the transition section to the outlet-side end of the bore.
- the second bore portion 330 is generally conical or frusto-conical in shape and extends a second length L2.
- the second bore portion has an inner diameter (second diameter) D2 throughout that is greater than the first diameter D1, with the second diameter increasing linearly continuously from the transition portion (approximately of the first diameter) toward the end of the bore.
- the cone angle ⁇ (angle between the bore axis and a surface line of the second bore section running in an axial plane) can be, for example, in the range of less than 5°, also less than 1°, possibly also 0.2
- the first length L1 can be between 10% and 60% of the bore length L, for example.
- the second length L2 is typically greater than the first length and is often between 30% and 80% of the bore length L.
- the transition section is very short compared to the adjacent bore sections. Deviations from these geometric conditions are also possible.
- the difference in diameter between the first diameter D1 and the second diameter D2 in parts further away from the inlet is well outside the tolerances typical of honing, which for a cylindrical shape are on the order of a maximum of 10 ⁇ m (based on the diameter).
- the maximum difference in diameter can be between 20 ⁇ m and 500 ⁇ m, for example.
- the lengths of the outer bore sections and the radius of the transition section can be optimized in such a way that low blow-by, low oil consumption and low wear of the piston rings result in typical engine operating conditions.
- the shape of the bore means that the bore is comparatively narrow in the region near the inlet, so that the piston rings of the piston running in the bore are pressed against the inner surface 318 of the bore under high ring stress.
- the piston which is accelerated by the combustion, then moves in the direction of the bore outlet, with the piston rings first passing through the transition section and then through the conical second bore section with the continuously expanding inner diameter. From the transition section, the piston rings can gradually relax, with the seal remaining adequate because the pressure difference across the piston rings decreases.
- the ring pack reaches its lowest stress.
- FIG. 4 shows an example of a diagram resulting from this, in which the honing time t H (in seconds) of a honing operation is plotted on the x-axis and the stroke position HP of the honing tool, the speed DZ of the spindle and the torque DM of the spindle are plotted together on the y-axis or the spindle drive are applied.
- the speed DZ was ramped up to a target value in a start-up phase and then remained constant throughout the entire honing operation.
- the stroke control was adjusted in such a way that in an initial first honing phase PH1 the stroke length was so great that the honing tool machined the entire bore length, i.e. both the first bore section and the second bore section, using the ring-shaped cutting group using two complete double strokes.
- a subsequent second honing phase PH2 was programmed as a stroke change phase, in which the stroke position of the honing tool changes from stroke to stroke.
- stroke position refers to the area between the upper reversal point UO of a stroke movement (near the bore entry) and the lower reversal point UU of the stroke movement closer to the end of the bore far from the entry, based on a machine-based coordinate system.
- Each shift of a reversal point thus also changes the stroke position.
- the lower reversal point UU was kept constant, while the upper reversal point UO was changed incrementally (adjustable stroke increment) by the controller in the direction of the lower reversal point, so that the stroke length was gradually reduced from stroke to stroke. In this way, the section farther from the entry is processed with more strokes than the section near the entry.
- a constant expansion i.e. a constant feed rate
- the torque DM averaged over the stroke fluctuated only relatively slightly within a narrow torque window (in the example between approx. 60% and approx. 70% of a reference value) over more than 2/3 of the second honing phase HP2, which was run with a variable lift.
- the reference value 100% corresponds to the nominal torque of the spindle drive. This fluctuation by a maximum of 15 percentage points or by ⁇ 5% to 7.5% around the mean value of 65% is within the scope of what is referred to as “substantially constant” in the context of this application.
- a significant drop in torque to a range well below the specified torque range was discernible (see arrow).
- the spindle torque decreases as the stroke length is reduced during contour generation.
- the stroke length corresponds approximately to the axial length of the cutting material body or even falls below it, a significant drop in torque can be seen. The result of this is that the cutting material bodies can cut free in this area, and under certain circumstances undesirable deviations in shape can occur in the lower area of the conical section of the bore.
- figure 5 shows an example of a measurement diagram of a bore honed in this way (bore length approx. 100 - 150 mm) with a target geometry 3 .
- a shape abnormality FA can be seen, which extends to a length of about 10 mm to 15 mm and is attributed to the mentioned effects of free cutting and the reduction in tool stabilization.
- Undesirable free cutting of the honing tool is prevented over the entire length of the bore, especially in the critical phase discussed above towards the end of the honing operation, in which the area far from the entrance is machined with relatively small strokes.
- the speed can be changed incrementally from stroke to stroke.
- constant expansion i.e. constant infeed speed, is also used here.
- the processing machine was set up in such a way that the spindle speed could be controlled by a freely programmable target torque over the entire bore length to be honed.
- a corresponding diagram for the time dependence of the stroke position HP, the speed DZ and the average spindle torque DM is in 7 shown.
- the control system is programmed in such a way that if the torque changes as a result of the process, the speed is automatically changed so that the torque controls the speed. If the actual torque falls below a lower limit of a torque window DMF, the speed DZ is also reduced, so that the actual speed is less than the setpoint speed.
- the actual speed is raised above the value of the setpoint speed when the current actual torque exceeds the setpoint torque by more than a permissible amount and migrates upwards out of the torque window DMF. In this way too, undesired free cutting of the tool over the entire length of the bore can be prevented.
- This control then has the effect that in phases without a change in torque, the speed also remains constant, while if the torque drops too much, the speed is also reduced and if the torque increases too much, the speed is increased. As a result, the torque remains “essentially constant” since it remains within the permitted torque window DMF (apart from the short time intervals before the control intervention).
- a further possibility for positively influencing a form honing operation for generating an axial contour progression consists in allowing or specifying an independent stroke displacement at the upper reversal point UO and at the lower reversal point UU.
- the axial position of the bottom dead center could remain constant over the entire stroke change phase (second honing phase PH2), while the top dead center incrementally approaches the bottom dead center, so that the stroke length is reduced from stroke to stroke while the position of the bottom dead center remains unchanged (e.g. similar as in the procedure in 6 or 7 ). This can be sufficient in many cases.
- the lower reversal point UU is immediately after the end of the first honing phase PH1 is raised above its desired value at the end of the second honing phase (horizontal dashed line) so that the stroke length is shorter than in a comparable case without changing the bottom dead center position. Then the position of the bottom dead center is lowered incrementally from stroke to stroke until the bottom dead center reaches its desired position at the end of the second honing phase.
- the lower stroke position can, for example, be lowered by approx. 0.1 mm/stroke increment. It has been shown that in some cases the course of the torque can be improved as a result of better consistency compared to an unchanged lower reversal point.
- the macro-shape of the hole and the microstructure of the inner surface of the hole after the stroke modification phase are so good within the given specification that the honing can be completed with the stroke modification phase and the workpiece is then finished.
- the stroke change phase can be the last phase of the honing process.
- a honing angle to be generated is usually defined for the finished bore, e.g. a honing angle in the range of 40° to 60° with conventional plateau honing. Due to the stroke displacement during contour generation, it is possible that honing angles other than the desired ones arise in this area, e.g. honing angles of less than 15°. In some cases, this can no longer be corrected in the subsequent honing operation. It is also possible that a "stepped profile" is created on the inner surface of the bore when the contour is generated by the displacement of the stroke.
- an additional further honing phase (third honing phase) with a freely selectable stroke position, stroke speed, speed, expansion force, expansion speed and operating mode (expansion: force/displacement) can be provided.
- the honing parameters can be set in such a way that after the contour has been created, practically any honing angle can be created.
- Another set of honing parameters can be set in order to equalize any "step profile" that may exist after the contour has been created and/or to "round off” transitions.
- a third honing phase can be programmed as position-related sparking out in order to positively influence the roundness in local problem areas of individual components (e.g. weak cylinder tube connection). It has been shown that process-reliable roundness values can also be achieved on unstable connected cylinder tubes.
Description
Die Erfindung betrifft ein Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mithilfe mindestens einer Honoperation gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie eine zur Durchführung des Honverfahrens konfigurierte Bearbeitungsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen.The invention relates to a honing method for machining the inner surface of a bore in a workpiece using at least one honing operation according to the preamble of claim 1, and to a machine tool configured to carry out the honing method according to the preamble of claim 14. A preferred area of application is the honing of cylinder running surfaces in the Manufacture of cylinder blocks or cylinder liners for reciprocating engines.
Die Zylinderlaufflächen in Zylinderblöcken (Zylinderkurbelgehäusen) oder Zylinderlaufbuchsen von Brennkraftmaschinen oder anderen Hubkolbenmaschinen sind im Betrieb einer starken tribologischen Beanspruchung ausgesetzt. Daher kommt es bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen darauf an, diese Zylinderlaufflächen so zu bearbeiten, dass später bei allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierung durch einen Schmiermittelfilm gewährleistet ist und der Reibwiderstand zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen möglichst gering gehalten wird.The cylinder running surfaces in cylinder blocks (cylinder crankcases) or cylinder liners of internal combustion engines or other reciprocating machines are exposed to strong tribological stress during operation. Therefore, when manufacturing cylinder blocks or cylinder liners, it is important to machine these cylinder running surfaces in such a way that later, under all operating conditions, sufficient lubrication is ensured by a film of lubricant and the frictional resistance between parts that move relative to one another is kept as low as possible.
Die qualitätsbestimmende Endbearbeitung solcher tribologisch beanspruchbaren Innenflächen erfolgt in der Regel mit geeigneten Honverfahren, die typischer Weise mehrere aufeinanderfolgende Honoperationen umfassen. Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Bei einer Honoperation wird ein aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der zu bearbeitenden Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung mit einer Hubfrequenz hin- und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung mit einer vorgebbaren Drehzahl gedreht. Zur Aufweitung des Honwerkzeugs werden die am Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper über ein Zustellsystem mit einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft und/oder Zustellgeschwindigkeit zugestellt und an die zu bearbeitende Innenfläche angedrückt. Beim Honen entsteht in der Regel an der Innenfläche ein für die Honbearbeitung typisches Kreuzschliffmuster mit sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren, die auch als "Honriefen" bezeichnet werden.The quality-determining finishing of such tribologically stressable inner surfaces is usually carried out with suitable honing processes, which typically include several consecutive honing operations. Honing is a machining process with geometrically undefined cutting edges. In a honing operation, an expandable honing tool is moved back and forth within the bore to be machined to generate a stroke movement in the axial direction of the bore at a stroke frequency and at the same time rotated at a predeterminable speed to generate a rotary movement superimposed on the stroke movement. To widen the honing tool, the cutting material bodies attached to the honing tool are fed via a feed system with a feed force and/or feed speed acting radially to the tool axis and pressed against the inner surface to be machined. During honing, a cross-hatch pattern typical of honing occurs on the inner surface with crossing traces of processing, which are also referred to as "honing marks".
Mit steigenden Anforderungen an die Sparsamkeit und Umweltfreundlichkeit von Motoren ist die Optimierung des tribologischen Systems Kolben/Kolbenringe/Zylinderlauffläche von besonderer Bedeutung, um geringe Reibung, geringen Verschleiß und geringen Ölverbrauch zu erreichen.With increasing demands on the economy and environmental friendliness of engines, the optimization of the tribological system of pistons/piston rings/cylinder running surface is of particular importance in order to achieve low friction, low wear and low oil consumption.
Der Reibungsanteil der Kolbengruppe kann bis zu 35% betragen, so dass eine Reibungsreduzierung in diesem Bereich wünschenswert ist.The friction component of the piston group can be as high as 35%, so a reduction in friction in this area is desirable.
Eine Technologie, die für die Reduzierung der Reibung und des Verschleißes immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die Vermeidung bzw. Reduzierung von Zylinderverzügen bzw. Deformationen des Motorblocks (Zylinderkurbelgehäuses) bei der Montage und/oder im Betrieb. Nach einer konventionellen Honbearbeitung soll eine Zylinderbohrung typischerweise eine Bohrungsform haben, die möglichst wenig, z.B. maximal wenige Mikrometer, von einer idealen Kreiszylinderform abweicht. Während der Montage und/oder des Betriebs des Motors kann es jedoch zu deutlichen Formfehlern (Verzügen) kommen, die bis zu mehreren Hundertsteln Millimeter betragen und die Performance des Motors verringern können. Die Ursachen von Verzügen bzw. Deformationen sind unterschiedlich. Es kann sich um statische oder quasi statische thermische und/oder mechanische Belastungen handeln oder um dynamische Belastungen. Auch die Konstruktion und das Design von Zylinderblöcken haben Einfluss auf die Neigung zu Deformationen. Die Dichtfunktion des Kolbenringpakets wird durch solche schwer kontrollierbaren Deformationen typischerweise verschlechtert, wodurch sich der Blow-by, der Ölverbrauch und auch die Reibung erhöhen können.A technology that is becoming more and more important for reducing friction and wear is the avoidance or reduction of cylinder distortions or deformations of the engine block (cylinder crankcase) during assembly and/or during operation. After conventional honing, a cylinder bore should typically have a bore shape that deviates as little as possible, e.g. a maximum of a few micrometers, from an ideal circular cylinder shape. However, during the assembly and/or operation of the motor, significant form defects (distortions) can occur, which can amount to several hundredths of a millimeter and reduce the performance of the motor. The causes of delays or deformations are different. These can be static or quasi-static thermal and/or mechanical loads or dynamic loads. The construction and design of cylinder blocks also have an impact on the tendency to deform. The sealing function of the piston ring pack is typically impaired by such hard-to-control deformations, which can increase blow-by, oil consumption and friction.
Das sogenannte Formhonen, auch bezeichnet als Freiformhonen, ist eine Technologie, welche durch eine Invertierung der Zylinderverzüge (Erzeugung einer Negativform des Fehlers) bei der Bearbeitung die Entstehung einer Idealform nach der Montage oder im Betriebszustand des Motors gewährleisten oder annähern soll. Dabei wird am unverspannten Werkstück mittels Honen eine von der Kreiszylinderform definiert abweichende Bohrungsform erzeugt. Solche Bohrungsformen sind in der Regel in Axialrichtung und/oder in Umfangsrichtung unsymmetrisch, weil auch die Deformationen des Zylinderblocks in der Regel nicht symmetrisch sind. Im Betriebszustand soll sich eine möglichst ideale Kreiszylinderform ergeben, so dass das Kolbenringpaket über den gesamten Bohrungsumfang gut abdichten kann.The so-called form honing, also referred to as free-form honing, is a technology which is intended to ensure or approximate the creation of an ideal form after assembly or in the operating state of the engine by inverting the cylinder distortions (creating a negative form of the error) during processing. Honing is used to create a bore shape that deviates from the circular-cylindrical shape on the unclamped workpiece. Borehole shapes of this type are generally asymmetrical in the axial direction and/or in the circumferential direction, because the deformations of the cylinder block are also generally not symmetrical. In the operating state, the ideal circular cylinder shape should result so that the piston ring pack can seal well over the entire circumference of the bore.
Verschiedene Varianten des Formhonens, die es erlauben, nicht-rotationssymmetrische Bohrungsformen mit einer systematischen Abweichung von einer 2-zähligen Rotationssymmetrie zu erzeugen, werden in der
In der
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Honverfahren der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, das es erlaubt, an Bohrungen, die im fertig bearbeiten Zustand einen axialen Konturverlauf haben sollen, den gewünschten Konturverlauf über die gesamte relevante Bohrungslänge mit ausreichender Präzision zu erzeugen. Es ist eine weitere Aufgabe, eine zur Durführung des Honverfahrens konfigurierte Bearbeitungsmaschine bereitzustellen.It is an object of the invention to provide a honing method of the type mentioned at the outset that allows bores that are to have an axial contour in the finished state to produce the desired contour over the entire relevant bore length with sufficient precision. Another object is to provide a machine tool configured to perform the honing process.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Honverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch eine Bearbeitungsmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 14. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.This object is achieved by a honing method having the features of claim 1. The object is also achieved by a processing machine having the features of claim 14. Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated into the description by reference.
Durch umfangreiche Honversuche (Konturhonung) mit unterschiedlichen Schneidmittelspezifikationen, Schneidmittelabmessungen, Schneidmittelanordnungen (Anzahl Segmente/Leisten) sowie Ringwerkzeugausführungen und konventionellen Werkzeugen (mit relativ langen Honleisten mit Längen im Bereich von ca. 1/3 bis 2/3 der Bohrungslänge)) wurde gezeigt, im Bereich des Bohrungsabschnitts mit relativ größtem Durchmesser geometrische Abweichungen von der Soll-Form auftreten können. Hierzu wurde unter anderem der Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit von der Hublänge und der Hubverlagerung, der Drehzahl der Spindel und Aufweitgeschwindigkeit dokumentiert. Es konnte eine Tendenz dahingehend festgestellt werden, dass mit Verkürzung der Hublänge während der Konturerzeugung das Spindeldrehmoment signifikant sinken kann. Dies zeigt an, dass sich die Schneidbedingungen in der Eingriffszone zwischen Schneidstoffkörper und Bohrungsinnenwand so deutlich verändern können (Reduzierung der Werkzeugstabilisierung im Prozess), dass der Materialabtrag nicht mehr im beabsichtigten Umfang erzielt wird und/oder die Form, vor allem im eintrittsfernen Bohrungsendbereich, ungünstige Abweichungen zeigt.Extensive honing tests (contour honing) with different cutting tool specifications, cutting tool dimensions, cutting tool arrangements (number of segments/bars) as well as ring tool designs and conventional tools (with relatively long honing bars with lengths in the range of approx. 1/3 to 2/3 of the bore length)) have shown that geometric deviations from the target shape can occur in the area of the bore section with the relatively largest diameter. For this purpose, the course of the torque as a function of the stroke length and stroke displacement, the spindle speed and the expansion speed was documented. A tendency was found that the spindle torque can drop significantly when the stroke length is shortened during contour generation. This indicates that the cutting conditions in the contact zone between the body of the cutting material and the inner wall of the bore can change so significantly (reduction in tool stabilization in the process) that material removal is no longer achieved to the intended extent and/or the shape, especially in the end area of the bore far from the entrance, is unfavorable shows deviations.
Wenn eine Steuerung des über die Spindel auf das Honwerkzeug übertragenen Drehmoments in der Weise erfolgt, dass das Drehmoment während der Hubveränderungsphase im Wesentlichen konstant bleibt, können derartige Formabweichungen vermieden oder auf unkritische Werte reduziert werden. Insbesondere kann ggf. über die gesamte zu honende Bohrungslänge ein relativ konstantes Drehmoment erreicht werden. Dies führt zu gleichmäßigeren Schneidkräften während der kompletten Honbearbeitung. Ein Freischneiden des Honwerkzeugs kann verhindert werden.If the torque transmitted via the spindle to the honing tool is controlled in such a way that the torque during the stroke change phase is essentially remains constant, such shape deviations can be avoided or reduced to non-critical values. In particular, a relatively constant torque can be achieved over the entire bore length to be honed. This results in more consistent cutting forces throughout the honing process. Free cutting of the honing tool can be prevented.
Die angestrebte "Konstanz" des Drehmoments ist nicht mathematisch exakt zu verstehen. Geringfügige Schwankungen des Drehmoments über die Zeit und/oder über die Hubposition innerhalb eines relativ engen Drehmoment-Fensters um einen Drehmoment-Sollwert sind zulässig. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird ein Drehmoment insbesondere dann als "im Wesentlichen konstant" angesehen, wenn eine Abweichung des über einen Hub gemittelten Drehmoments von einem Drehmoment-Sollwert weniger als 15%, insbesondere weniger als 10% oder weniger als 5% beträgt.The desired "constancy" of the torque cannot be understood mathematically exactly. Slight fluctuations in torque over time and/or over stroke position within a relatively narrow torque window around a torque setpoint are permissible. For the purposes of this application, a torque is considered to be "substantially constant" when a deviation of the torque averaged over a stroke from a torque setpoint is less than 15%, in particular less than 10% or less than 5%.
Die Bearbeitungsmaschine bzw. deren Steuereinrichtung kann hierzu eine Einrichtung zur Einstellung eines Drehmoment-Sollwerts und eines Drehmoment-Fensters um den Drehmoment-Sollwert umfassen. Beispielsweise können die Drehmomentgrenzen (untere und obere Grenze des für den Prozess zulässigen Drehmoments bzw. minimales und maximales Drehmoment) über zwei gesonderte Parameter in die Steuerung eingegeben werden. Es wäre auch möglich, einen Drehmoment-Sollwert und eine Fensterbreite als Parameter einzugeben.For this purpose, the processing machine or its control device can comprise a device for setting a torque setpoint and a torque window around the torque setpoint. For example, the torque limits (lower and upper limit of the torque permissible for the process or minimum and maximum torque) can be entered into the controller using two separate parameters. It would also be possible to enter a torque setpoint and a window width as parameters.
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, das Drehmoment während der Bearbeitung im Wesentlichen konstant zu halten.There are different ways to keep the torque essentially constant during machining.
Bei manchen Ausführungsformen wird zur Steuerung des Drehmoments in mindestens einer Drehzahlveränderungsphase eine von der Hublänge abhängige Veränderung der Drehzahl des Honwerkzeuges in der Weise erzeugt, dass die Drehzahl bei Reduzierung der Hublänge reduziert wird. Die Honoperation wird also zumindest phasenweise mit variabler Drehzahl durchgeführt. Diese Variante kann auch als Formhonen mit prozessintegrierter Drehzahlsteuerung bezeichnet werden. Wird die Drehzahl mit sinkender Hublänge angepasst reduziert, können relativ gleichmäßige Eingriffsbedingungen zwischen Schneidstoffkörper und Bohrungsinnenwand aufrechterhalten werden, so dass der gewünschte axial variierende Materialabtrag erreicht werden kann.In some embodiments, in order to control the torque in at least one speed change phase, a change in the speed of the honing tool that is dependent on the stroke length is generated in such a way that the speed is reduced when the stroke length is reduced. The honing operation is therefore carried out at least in phases with a variable speed. This variant can also be referred to as form honing with process-integrated speed control. If the speed is reduced in line with the decreasing stroke length, relatively uniform engagement conditions between the body of cutting material and the inner wall of the bore can be maintained, so that the desired axially varying material removal can be achieved.
Die hubabhängige Veränderung der Drehzahl kann nach Maßgabe einer vorgegebenen Drehzahlveränderungsfunktion erfolgen. Wenn für den Honprozess die gewünschte Hubveränderung über die Honoperation festgelegt ist, kann der angepasste Drehzahlverlauf bzw. die entsprechende Drehzahlveränderungsfunktion vom Bediener vor der Honoperation eingegeben und dann im Wege einer Feed-Forward-Steuerung von der Bearbeitungsmaschine selbsttätig durchgeführt werden. Wenn beispielsweise während einer Hubveränderungsphase die Hublänge kontinuierlich in gleichmäßigen Schritten reduziert wird, kann auch die Drehzahl kontinuierlich oder in Schritten reduziert werden. Auch kompliziertere Zusammenhänge zwischen Hublänge und Drehzahl können bei Bedarf voreingestellt werden.The speed can be changed as a function of the stroke according to a predetermined speed change function. If for the honing process the desired change in stroke has been defined via the honing operation, the adapted speed curve or the corresponding Speed change function entered by the operator before the honing operation and then carried out automatically by the processing machine by means of a feed-forward control. For example, if the stroke length is continuously reduced in equal steps during a stroke change phase, the speed can also be reduced continuously or in steps. More complicated relationships between stroke length and speed can also be preset if required.
Es ist möglich, empirisch oder theoretisch bestimmte Zusammenhänge zwischen Hublänge und Drehzahl für bestimmte Kombinationen von Werkzeugtypen und Werkstücktypen in einem Speicher der Steuereinrichtung in Form geeigneter Datensätze zu hinterlegen und auf diese Daten bei der Programmierung der Steuerung für einen Honprozess zuzugreifen.It is possible to store empirically or theoretically certain relationships between stroke length and speed for certain combinations of tool types and workpiece types in a memory of the control device in the form of suitable data sets and to access this data when programming the control for a honing process.
In vielen Fällen hat es sich als besonders günstig herausgestellt, wenn eine Veränderung der Drehzahl auch in Abhängigkeit von der Hublänge gesteuert wird. Unter anderem hat sich gezeigt, dass bei zunehmend reduzierter Hublänge ein deutliches Absinken des Drehmomentes beobachtet werden kann. Daher kann es sinnvoll sein, bei allmählich sinkender Hublänge die Drehzahl jedenfalls dann abzusenken, wenn die Hublänge weniger als 150%, insbesondere weniger als 100%, der axialen Länge der Schneidstoffkörper entspricht. Ein entsprechendes Modul des Steuerungsprogramms kann diesen Zusammenhang abbilden, ggf. auf Basis von bauteilspezifischen Vorversuchen.In many cases it has turned out to be particularly advantageous if a change in the speed is also controlled as a function of the stroke length. Among other things, it has been shown that with an increasingly reduced stroke length, a significant drop in torque can be observed. It can therefore make sense, with a gradually decreasing stroke length, to lower the speed at least if the stroke length corresponds to less than 150%, in particular less than 100%, of the axial length of the cutting material body. A corresponding module of the control program can map this relationship, if necessary on the basis of component-specific preliminary tests.
Bei manchen Ausführungsformen ist eine Regelung des Drehmoments eines zur Drehung der Spindel vorgesehenen Spindelantriebs vorgesehen. Für diese Regelung wird eine Rückkopplungsstrecke aufgebaut, in welcher die zu beeinflussende Größe (Drehmoment) direkt oder indirekt erfasst und basierend auf den Werten der Erfassung die Honoperation so gesteuert wird, dass das Drehmoment im Wesentlichen konstant bleibt bzw. sich innerhalb eines vorgebbaren, relativ engen Drehmoment-Fensters hält.In some embodiments, the torque of a spindle drive provided for rotating the spindle is regulated. A feedback path is set up for this regulation, in which the variable (torque) to be influenced is recorded directly or indirectly and the honing operation is controlled based on the values of the recording in such a way that the torque remains essentially constant or is within a definable, relatively narrow range torque window holds.
Bei manchen Varianten ist eine Regelung des Drehmoments dadurch realisiert, dass an dem Spindelantrieb das aktuelle Drehmoment des Spindelantriebs repräsentierendes Drehmoment-Signal erfasst und mit einem Sollwert des Drehmoments repräsentierenden Sollwert-Signals zur Ermittlung einer Sollwertabweichung verglichen wird und dass die Steuerung des Drehmoments des Spindelantriebs in Abhängigkeit von der Sollwertabweichung erfolgt. Das Drehmoment-Signal kann beispielsweise über die elektrische Leistungsaufnahme eines Servoantriebs oder eines anderen elektrischen Antriebs generiert werden. Auch Kraftmessungen am oder im Honwerkzeug sind möglich.In some variants, the torque is regulated in that the torque signal representing the current torque of the spindle drive is detected on the spindle drive and compared with a setpoint value of the setpoint signal representing the torque to determine a setpoint deviation, and the control of the torque of the spindle drive in Dependence on the setpoint deviation takes place. The torque signal can be generated, for example, via the electrical power consumption of a servo drive or another electrical drive. Force measurements on or in the honing tool are also possible.
Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass ein Soll-Verlauf des Sollwerts des Drehmoments für eine Honoperation vorgegeben und eine Drehzahl der Spindel nach Maßgabe des Soll-Verlaufs gesteuert wird. Hierdurch können relativ gleichmäßige Schneidkräfte während der kompletten Honbearbeitung erzielt werden. Beispielsweise kann ein Soll-Drehmoment-Fenster durch Vorgabe eines minimalen und eines maximalen zulässigen Drehmoments definiert werden. Bei Abweichungen des erfassten Drehmoments während der Honphase kann dann die Drehzahl so gesteigert oder reduziert werden, dass das Drehmoment innerhalb des vorgegebenen Drehmoment-Fensters bleibt. Insbesondere kann bei Unterschreitung des Soll-Drehmoments die Drehzahl reduziert und bei Überschreitung des Soll-Drehmoments die Drehzahl erhöht werden. Die Drehzahl kann dabei zwischen programmierbaren Minimalwerten und Maximalwerten für die Drehzahl variieren.In some embodiments, it is provided that a target profile of the target value of the torque is specified for a honing operation and a speed of the spindle is controlled in accordance with the target profile. As a result, relatively even cutting forces can be achieved throughout the entire honing process. For example, a target torque window can be defined by specifying a minimum and a maximum permissible torque. If there are deviations in the torque recorded during the honing phase, the speed can then be increased or reduced in such a way that the torque remains within the specified torque window. In particular, the speed can be reduced when the target torque is not reached and the speed can be increased when the target torque is exceeded. The speed can vary between programmable minimum values and maximum values for the speed.
Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung des Honergebnisses liegt in einer gezielten Steuerung der Hubverlagerung. Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass zur Veränderung der Hublänge und/oder der Hublage während der Hubveränderungsphase eine Position eines oberen Umkehrpunktes und/oder eine Position eines unteren Umkehrpunkts einer Hubbewegung nach Maßgabe einer Voreinstellung verändert wird. Auf diese Weise kann die Hublänge, d.h. die axiale Länge zwischen oberem und unterem Umkehrpunkt, variiert werden. Insbesondere kann es so sein, dass mindestens über eine Phase sowohl die Position des oberen Umkehrpunktes als auch die Position des unteren Umkehrpunktes zwischen aufeinanderfolgenden Hüben verändert wird. Hierdurch kann sich gegebenenfalls im Vergleich zu einer Variante, bei der beispielsweise nur der obere Umkehrpunkt verändert wird, eine Verbesserung der Konstanz des Drehmoments ergeben. Insbesondere kann es so sein, dass ein Freischneiden des Honwerkzeugs im eintrittsfernen Bohrungsendbereich im Vergleich zu anderen Verfahrensführungen reduziert und/oder minimiert wird.A further possibility to influence the honing result lies in a targeted control of the displacement of the stroke. In some embodiments it is provided that to change the stroke length and/or the stroke position during the stroke change phase, a position of an upper reversal point and/or a position of a lower reversal point of a stroke movement is changed according to a presetting. In this way, the stroke length, i.e. the axial length between the upper and lower reversal point, can be varied. In particular, it can be the case that both the position of the upper reversal point and the position of the lower reversal point are changed between successive strokes at least over one phase. This may result in an improvement in the constancy of the torque compared to a variant in which, for example, only the upper reversal point is changed. In particular, it can be the case that cutting free of the honing tool in the bore end region far from the entry point is reduced and/or minimized in comparison to other method procedures.
Insbesondere bei einem axialen Konturverlauf, welcher im nicht-zylindrischen Bereich ein nichtlineare Formänderung bzw. eine nicht geradlinige Mantellinie aufweist, wie z.B. bei einer Bohrung mit Trompetenform oder Glockenform, kann diese Formvariante durch eine hubabhängige, variable Zustellung erzeugt bzw. eingebracht werden.Particularly in the case of an axial contour that has a non-linear change in shape or a non-linear surface line in the non-cylindrical area, such as a trumpet-shaped or bell-shaped bore, this shape variant can be produced or introduced by a stroke-dependent, variable infeed.
Dies kann insbesondere in der Weise erfolgen, dass eine Zustellkraft und/oder eine Zustellgeschwindigkeit von Schneidstoffkörpern des Honwerkzeugs in Abhängigkeit von der Hubposition des Honwerkzeugs gesteuert werden. Auf diese Weise kann eine variable Kraft-/Wegsteuerung zur Konturgestaltung genutzt werden oder beitragen. Beispielsweise kann mit dieser Variante besonders gut eine Trompetenform oder eine Glockenform bzw. Flaschenform oder eine Konusform einer Bohrung erzeugt werden. Eine Erzeugung der gewünschten Kontur allein mittels Hubverlagerung kann in solchen Fällen ggf. nicht ausreichend sein. Wird dagegen die Zustellkraft bzw. die Zustellgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Hublage variiert, idealerweise sowohl im Abwärtshub als auch im Aufwärtshub, können auch komplexere Bohrungsformen gut erzeugt werden. Die variable Kraft-/Wegsteuerung kann mit einer Hubverlagerung kombiniert werden. Zur Erzeugung von Sonderformen, wie zum Beispiel einer Trompetenform, kann es zweckmäßig sein, wenn mehrere Hubpositionen mit unterschiedlichen Aufweitkräften programmiert bzw. vorgegeben werden können. Beispielsweise ist es möglich, durch kleinere Abstände der Hubposition (Anzahl und Position vorzugsweise frei wählbar) und konstanter Kraft-/Wegregelung eine Trompetenform zu erzeugen.This can be done in particular in such a way that an infeed force and/or an infeed speed of cutting material bodies of the honing tool are controlled as a function of the stroke position of the honing tool. In this way, variable force/displacement control can be used or contribute to contour design. For example, a trumpet shape or a bell shape or bottle shape or a cone shape of a bore can be produced particularly well with this variant. Generating the desired contour using only Stroke displacement may not be sufficient in such cases. If, on the other hand, the infeed force or the infeed speed is varied as a function of the stroke position, ideally both in the downstroke and in the upstroke, even more complex bore shapes can be easily produced. The variable force/path control can be combined with stroke displacement. In order to produce special shapes, such as a trumpet shape, it can be useful if several lifting positions with different expansion forces can be programmed or specified. For example, it is possible to create a trumpet shape by using smaller distances between the stroke positions (number and position preferably freely selectable) and constant force/displacement control.
Das Honverfahren kann mit unterschiedlich gestalteten Honwerkzeugen durchgeführt werden. Vorzugsweise wird bei der Bearbeitung ein aufweitbares Honwerkzeug verwendet, welches in einem spindelfernen Endbereich eines Werkzeugkörpers eine aufweitbare, ringförmige Schneidgruppe mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern aufweist, wobei eine axiale Länge der Schneidstoffkörper kleiner ist als der wirksame Außendurchmesser der ringförmigen Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern. Ein solches Honwerkzeug wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als "Ringwerkzeug" bezeichnet. Beispiele geeigneter Honwerkzeuge mit einer oder zwei ringförmigen Schneidgruppen sowie mit einfacher Aufweitung oder Doppel-Aufweitung sind in der
Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung des Honverfahrens konfigurierte Bearbeitungsmaschine. Es kann sich dabei um eine spezialisierte Honmaschine oder um eine andere Werkzeugmaschine handeln, die die hier benötigten Funktionalitäten bietet.The invention also relates to a processing machine configured to carry out the honing process. This can be a specialized honing machine or another machine tool that offers the functionalities required here.
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:
-
Fig. 1 schematisch die Vorderansicht einer Honmaschine, die zur Durchführung verschiedener Varianten des Honverfahrens genutzt werden kann; -
Fig. 2 inFig. 2A einen Längsschnitt und inFig. 2B eine axiale Ansicht eines Honwerkzeugs, das zur Durchführung verschiedener Varianten des Honverfahrens genutzt werden kann; -
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer zylindrischkonischen Bohrung mit axialem Konturverlauf; -
Fig. 4 ein Diagramm, in welchem für eine Referenz-Honoperation die Hubposition des Honwerkzeugs, die Drehzahl der Spindel und das Drehmoment des Spindelantriebs aufgetragen sind; -
Fig. 5 ein Messdiagramm einer gehonten Bohrung mit Formabweichungen am breiten Bohrungsende; -
Fig. 6 ein Diagramm einer Verfahrensvariante mit einer linearen Drehzahlreduzierung während der Hubveränderungsphase; -
Fig. 7 ein Diagramm einer Verfahrensvariante, bei der das Drehmoment die Drehzahl regelt; und -
Fig. 8 ein Diagramm einer Verfahrensvariante mit einer unabhängigen Hubverlagerung am oberen Umsteuerpunkt und am unteren Umsteuerpunkt.
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1 schematically shows the front view of a honing machine that can be used to carry out different variants of the honing process; -
2 inFigure 2A a longitudinal section and inFigure 2B an axial view of a honing tool that can be used to carry out different variants of the honing process; -
3 a schematic longitudinal section through an embodiment of a cylindrically conical bore with an axial contour; -
4 a diagram in which the stroke position of the honing tool, the speed of the spindle and the torque of the spindle drive are plotted for a reference honing operation; -
figure 5 a measurement diagram of a honed hole with shape deviations at the wide end of the hole; -
6 a diagram of a method variant with a linear speed reduction during the stroke change phase; -
7 a diagram of a method variant in which the torque controls the speed; and -
8 a diagram of a variant of the method with an independent stroke displacement at the upper reversal point and at the lower reversal point.
In
Auf dem Maschinenbett 102 der Honmaschine ist eine Aufspannplatte 104 befestigt, die ein darauf aufgespanntes Werkstück 106 trägt, bei dem es sich im Beispielsfall um einen Motorblock (Zylinderkurbelgehäuse) einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine handelt. In dem Motorblock sind mehrere Zylinderbohrungen mit generell vertikaler Ausrichtung ihrer Zylinderachsen gebildet. Die durch die Innenflächen der Zylinderbohrungen gebildeten Zylinderlaufflächen werden auf der Honmaschine einer qualitätsbestimmenden Endbearbeitung unterzogen, bei der sowohl die Makroform der Zylinderlaufflächen, als auch deren Oberflächentopographie durch geeignete Honoperationen erzeugt wird.A clamping
Bei der Honmaschine 100 sind auf einer portalartigen Trägerkonstruktion 108 zwei im Wesentlichen identisch aufgebaute Honeinheiten 110, 112 befestigt, die abwechselnd oder gleichzeitig bei der Werkstückbearbeitung eingesetzt werden können. Ihr Aufbau wird anhand der Honeinheit 110 näher erläutert. Die Honeinheit umfasst einen auf der Trägerkonstruktion befestigten Spindelkasten 114, der die als Werkzeugspindel der Bearbeitungsmaschine dienende Honspindel 116 führt. Die Honspindel lässt sich mit Hilfe eines am Spindelkasten befestigten Spindelantriebs 118 um ihre Längsachse (Spindelachse) drehen. Der Spindelantrieb weist einen Servomotor auf, der u.a. bezüglich seiner Drehzahl und des erzeugten Drehmoments steuerbar ist.In the honing
Am unteren Ende der Honspindel ist eine Gelenkstange 120 angebracht, an deren unteres, freies Ende das als Bearbeitungswerkzeug dienende Honwerkzeug 200 begrenzt beweglich mechanisch angekoppelt ist, z.B. über eine Bajonettverbindung. Bei anderen Ausführungsformen sind andere Lösungen möglich. Beispielsweise kann anstelle der Gelenkstange eine andersartige Antriebsstange, z.B. eine Biegestange, gewählt werden. Alternativ zu einer begrenzt beweglichen mechanischen Ankopplung ist auch eine starre Ankopplung des Honwerkzeugs möglich.Attached to the lower end of the honing spindle is an articulated
Ein auf dem Spindelkasten 114 montierter Hubantrieb 124 bewirkt die Vertikalbewegung der Honspindel beim Einführen des Werkzeuges in das Werkstück bzw. beim Herausziehen aus dem Werkstück und wird während der Honbearbeitung so angesteuert, dass das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung des Werkstückes eine zur Spindelachse parallele, vertikale Hin- und Her-Bewegung ausführt. Hublänge und Hublage sind durch Eingabe einstellbar.A lifting
Die Honmaschine ist mit Zustellsystem 140 ausgestattet, das zwei unabhängig voneinander betätigbare Zustelleinrichtungen umfasst, die unterschiedlichen Sätzen von Arbeitselementen am Honwerkzeug zugeordnet werden können. Eine hydraulisch betätigbare zweite Zustelleinrichtung umfasst einen Hydraulikzylinder, in dem ein beidseitig mit Hydraulikdruck beaufschlagbarer Kolben sitzt, der an einem Ende einer Druckstange 152 befestigt ist. Diese lässt sich dementsprechend durch Steuerung des Hydraulikdrucks innerhalb des Hydraulikzylinders parallel zu ihrer Längsachse in beide Richtungen gesteuert bewegen. Diese Aufweitung kann auch mit einem Servomotor - kraftgesteuert oder weggesteuert - versehen werden. Die massive Druckstange 152 ist innerhalb einer hohlen Druckstange 162 koaxial mit dieser und relativ zu dieser beweglich angeordnet. Die hohle Druckstange gehört zu einem elektromechanischen ersten Zustellsystem, dessen Antrieb durch einen elektrischen Schrittmotor gebildet wird, der über ein Getriebe auf die äußere, hohle Druckstange 162 wirkt, um diese parallel zur gemeinsamen Achse der Druckstangen auf- und ab zu bewegen. Diese Aufweitung kann auch mit einem Servomotor - kraftgesteuert oder weggesteuert - versehen werden.The honing machine is equipped with an
Der Spindelantrieb 118, der Hubantrieb 124 und die Antriebe des das Zustellsystems 140 sind an eine Steuereinrichtung 180 angeschlossen, die ein funktionaler Bestandteil der Maschinensteuerung ist und über eine Bedieneinrichtung 190 bedient werden kann. Über die Bedieneinrichtung können unter anderem die folgenden Prozessparameter eingestellt werden:
Lage des oberen Umsteuerpunkts und des unteren Umsteuerpunkts von Hubbewegungen. Dadurch sind die Hublänge und die Hublage definierbar. Hubintervalle und Hubinkremente. Dadurch sind zeitlich veränderliche Hübe programmierbar. Drehzahl, Drehzahlinkrement, minimale Drehzahl und maximale Drehzahl eines Drehzahl-Fensters. Zustellgeschwindigkeit, Hubgeschwindigkeit. Beginn einer Honphase, Beginn einer oder mehrerer weiterer Honphasen. Soll-Drehmoment und Drehmoment-Fenster und/oder minimales und maximales zulässiges Drehmoment während einer Hubveränderungsphase.The
Position of the upper reversal point and the lower reversal point of lifting movements. This means that the stroke length and the stroke position can be defined. Stroke Intervals and Stroke Increments. As a result, time-varying strokes can be programmed. Speed, speed increment, minimum speed and maximum speed of a speed window. Delivery speed, lifting speed. Beginning of a honing phase, beginning of one or more further honing phases. Target torque and torque window and/or minimum and maximum allowable torque during a stroke change phase.
Das Honwerkzeug 200 hat einen Werkzeugkörper 210, der eine Werkzeugachse 212 definiert, die gleichzeitig die Rotationsachse des Honwerkzeugs während der Honbearbeitung ist. Am spindelseitigen Ende des Honwerkzeugs (in
Das Honwerkzeug wird im dargestellten Beispiel gelenkig an die Honspindel oder eine Gelenkstange angekoppelt, um eine begrenzte Beweglichkeit des Honwerkzeugs gegenüber der Honspindel zuzulassen. Hierzu ist am spindelseitigen Ende des Honwerkzeugs ein mehrachsiges Gelenk ausgebildet, z.B. ein kardanisches Gelenk oder ein Kugelgelenk.In the example shown, the honing tool is coupled in an articulated manner to the honing spindle or to an articulated rod in order to permit limited mobility of the honing tool in relation to the honing spindle. For this purpose, a multi-axis joint, e.g. a cardan joint or a ball joint, is formed at the end of the honing tool on the spindle side.
Am spindelabgewandten Ende des Werkzeugkörpers (in
Die axiale Länge LHS der Honsegmente liegt bei weniger als 35%, insbesondere bei weniger als 15% der Bohrungslänge. Die Honsegmente sind ca. 5 mm bis 90 mm, insbesondere ca. 10 mm bis 70 mm hoch (in Axialrichtung), was im Beispielsfall zwischen 5% und 50%, insbesondere zwischen 10% und 20% oder 30% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe (bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern) entspricht. Die axiale Länge LHS entspricht hier gleichzeitig der axialen Länge des gesamten Schneidbereichs des Honwerkzeugs.The axial length LHS of the honing segments is less than 35%, in particular less than 15% of the bore length. The honing segments are approx. 5 mm to 90 mm, in particular approx. 10 mm to 70 mm high (in the axial direction), which in the example is between 5% and 50%, in particular between 10% and 20% or 30% of the effective outer diameter of the cutting group (with fully retracted tool bodies). The axial length LHS corresponds here at the same time to the axial length of the entire cutting area of the honing tool.
Jeder Schneidstoffkörper ist an einer Außenseite einer zugeordneten Tragleiste 224-1, 224-2 aus Stahl durch Löten befestigt. Alternativ kann der Schneidstoffkörper auch durch Kleben oder mittels Schrauben befestigt werden, wodurch eine leichtere Auswechslung möglich ist. Im Beispiel trägt jede Tragleiste nur einen kreissegmentartig gestalteten Schneidstoffkörper. Auf einer Tragleiste können auch mehrere einzelne Schneidleisten befestigt werden. Jede Tragleiste hat an ihrer Innenseite eine Schrägfläche, die mit einer konischen Außenfläche eines axial verschiebbaren, rohrförmigen bzw. innen hohlen Zustellkonus 232 in der Weise zusammenwirkt, dass die Tragleisten mit den davon getragenen Schneidstoffkörpern nach radial außen zugestellt werden, wenn der Zustellkonus mittels einer maschinenseitigen Zustellvorrichtung gegen die Kraft von (nicht dargestellten) Rückholfedern in Richtung des spindelabgewandten Endes des Ringwerkzeugs gedrückt wird. Bei entgegengesetzter Zustellbewegung werden die Tragleisten mit den Honsegmenten mit Hilfe umlaufender Rückholfedern nach radial innen zurückgeholt. Die radiale Position der Schneidstoffkörper wird dadurch spielfrei über die axiale Position des Zustellkonus 232 gesteuert.Each body of cutting material is fastened by brazing to an outer side of an associated steel support strip 224-1, 224-2. Alternatively, the cutting material body can also be attached by gluing or by means of screws, which makes it easier to replace. In the example, each support bar carries only one cutting material body designed like a segment of a circle. Several individual cutting strips can also be attached to a support strip. Each support strip has an inclined surface on its inside which interacts with a conical outer surface of an axially displaceable, tubular or internally
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele von Honverfahren beschrieben, die im Rahmen von Ausführungsformen der Erfindung genutzt werden können, um rotationssymmetrische Bohrungen mit axialem Konturverlauf zu erzeugen.Exemplary embodiments of honing methods are described below, which can be used within the scope of embodiments of the invention in order to produce rotationally symmetrical bores with an axial contour profile.
Ein erster Bohrungsabschnitt 320 am eintrittsseitigen Ende hat einen ersten Durchmesser D1 und eine erste Länge L1. Der erste Durchmesser liegt über die gesamte erste Länge L1 vor, so dass der erste Bohrungsabschnitt eine kreiszylindrische Gestalt hat. Der erste Bohrungsabschnitt geht in einen axial schmalen Übergangsabschnitt 325 mit Übergangsradius R1 stufenlos in einen zweiten Bohrungsabschnitt 330 über, der sich vom Übergangsabschnitt bis zum austrittsseitigen Ende der Bohrung erstreckt. Der zweite Bohrungsabschnitt 330 hat im Wesentlichen eine konische bzw. kegelstumpfförmige Gestalt und erstreckt sich über eine zweite Länge L2. Der zweite Bohrungsabschnitt hat durchgängig einen Innendurchmesser (zweiter Durchmesser) D2, der größer als der erste Durchmesser D1 ist, wobei der zweite Durchmesser ausgehend vom Übergangsabschnitt (ungefähr mit den ersten Durchmesser) zum Bohrungsende hin kontinuierlich linear zunimmt. Der Konuswinkel α (Winkel zwischen der Bohrungsachse und einer in einer Axialebene verlaufenden Mantellinie des zweiten Bohrungsabschnitts) kann z.B. im Bereich von weniger als 5° liegen, auch bei weniger als 1°, ggf. auch bei 0.2° oder darunter.A
Die erste Länge L1 kann beispielsweise zwischen 10% und 60% der Bohrungslänge L betragen. Die zweite Länge L2 ist typischerweise größer als die erste Länge und liegt häufig zwischen 30% und 80% der Bohrungslänge L. Der Übergangsabschnitt ist gegenüber den daran angrenzenden Bohrungsabschnitten sehr kurz. Auch Abweichungen von diesen geometrischen Verhältnissen sind möglich.The first length L1 can be between 10% and 60% of the bore length L, for example. The second length L2 is typically greater than the first length and is often between 30% and 80% of the bore length L. The transition section is very short compared to the adjacent bore sections. Deviations from these geometric conditions are also possible.
Der Durchmesserunterschied zwischen dem ersten Durchmesser D1 und dem zweiten Durchmesser D2 in eintrittsferneren Teilen liegt deutlich außerhalb der für die Honbearbeitung typischen Toleranzen, die für eine Zylinderform in der Größenordnung von maximal 10 µm (bezogen auf den Durchmesser) liegen. Bei einem Absolutwert des Innendurchmessers in der Größenordnung zwischen 50 mm und 500 mm (letzteres z.B. bei Schiffsmotoren) kann der maximale Durchmesserunterschied beispielsweise zwischen 20 µm und 500 µm liegen.The difference in diameter between the first diameter D1 and the second diameter D2 in parts further away from the inlet is well outside the tolerances typical of honing, which for a cylindrical shape are on the order of a maximum of 10 μm (based on the diameter). With an absolute value of the internal diameter of the order of magnitude between 50 mm and 500 mm (the latter e.g. in ship engines), the maximum difference in diameter can be between 20 µm and 500 µm, for example.
Die Längen der äußeren Bohrungsabschnitte und der Radius des Übergangsabschnitts können so optimiert sein, dass sich in typischen Betriebszuständen des Motors geringer Blow-by, geringer Ölverbrauch und geringer Verschleiß der Kolbenringe ergeben.The lengths of the outer bore sections and the radius of the transition section can be optimized in such a way that low blow-by, low oil consumption and low wear of the piston rings result in typical engine operating conditions.
Die Form der Bohrung führt dazu, dass die Bohrung im eintrittsnahen Bereich vergleichsweise eng ist, so dass die Kolbenringe des in der Bohrung laufenden Kolbens unter hoher Ringspannung an die Bohrungsinnenfläche 318 gedrückt werden. Dadurch wird dort, wo die Verbrennung hauptsächlich erfolgt und hohe Drücke auftreten, eine zuverlässige Abdichtung erreicht und der Ölfilm wird im Abwärtshub abgestreift. Der durch die Verbrennung beschleunigte Kolben bewegt sich dann Richtung Bohrungsaustritt, wobei die Kolbenringe zunächst den Übergangsabschnitt und dann den konischen zweiten Bohrungsabschnitt mit dem sich kontinuierlich erweiterten Innendurchmesser durchlaufen. Ab dem Übergangsabschnitt können sich die Kolbenringe allmählich entspannen, wobei die Abdichtung ausreichend bleibt, weil die Druckdifferenz an den Kolbenringen sinkt. Am eintrittsfernen Ende des zweiten Bohrungsabschnitts erreicht das Ringpaket seine niedrigste Spannung. Beim Aufwärtshub nimmt die Ringspannung dann allmählich wieder zu, bis die Kolbenringe den Übergangsabschnitt erreichen und diesen in Richtung des ersten Bohrungsabschnitts durchlaufen. Weiterhin wird berücksichtigt, dass eine durch Wärmeeinflüsse verursachte Aufweitung der Zylinderlaufbahn im oberen, zylindrischen Teil der Bohrung stärker ist als im konischen Bereich. Dadurch ergibt sich im befeuerten Zustand insgesamt eine weitgehend zylindrische bzw. deutlich weniger konische Bohrungsform als im kalten Zustand.The shape of the bore means that the bore is comparatively narrow in the region near the inlet, so that the piston rings of the piston running in the bore are pressed against the
Es wurden umfangreiche Serien von Honversuchen mit unterschiedlichen Schneidmittelspezifikationen, Schneidmittelabmessungen, Schneidmittelanordnungen und Werkzeugtypen (zum Beispiel Ringwerkzeugausführungen und konventionelle Honwerkzeuge mit relativ langen Honleisten) durchgeführt, um optimierte Honstrategien zur Erzielung einer gewünschten Bohrungsform mit axialem Konturverlauf zu entwickeln. Vielversprechend sind dabei Verfahrensvarianten, bei denen zur Erzeugung eines axial variierenden Materialabtrags in einer Hubveränderungsphase die Hublänge und/oder die Hublage der Hubbewegung nach einem bestimmten Schema verändert werden. Der Begriff "Hublage" bezeichnet dabei die Position des Hubs bezogen auf ein maschinenfestes (bzw. bei eingespanntem Werkstück auch werkstückfestes) Koordinatensystem. Bei allen hier dokumentierten Honoperationen wurde ausgegangen von einer kreiszylindrischen Bohrungsform, die vorab z.B. durch Langhubhonen mit relativ langen Honleisten erzeugt wurde.An extensive series of honing tests with different cutting tool specifications, cutting tool dimensions, cutting tool arrangements and tool types (e.g. ring tool designs and conventional honing tools with relatively long honing stones) were carried out in order to develop optimized honing strategies to achieve a desired bore shape with an axial contour. Process variants in which the stroke length and/or the stroke position of the stroke movement are changed according to a specific scheme in order to produce an axially varying removal of material in a stroke change phase are promising. The term "hub position" refers to the position of the hub to a machine-fixed (or in the case of a clamped workpiece also fixed to the workpiece) coordinate system. All of the honing operations documented here are based on a circular-cylindrical bore shape that was previously produced, for example, by long-stroke honing with relatively long honing stones.
Bei den Versuchen wurde unter anderem der Verlauf des Drehmoments des Spindelantriebs in Abhängigkeit von der Hublänge der Hubbewegung und deren Verlagerung, der Drehzahl und der Aufweitgeschwindigkeit mithilfe eines Systems zur Diagnose von Maschinenparametern erfasst und die Ergebnisse ausgewertet.During the tests, the course of the torque of the spindle drive as a function of the stroke length of the stroke movement and its displacement, the speed and the expansion speed was recorded using a system for diagnosing machine parameters, and the results were evaluated.
Bei der gezeigten Referenz-Honoperation (REF) wurde die Drehzahl DZ in einer Anfahrphase auf einen Sollwert heraufgefahren und blieb dann während der gesamten Honoperation konstant. Die Hubsteuerung wurde so eingestellt, dass in einer anfänglichen ersten Honphase PH1 die Hublänge so groß war, dass das Honwerkzeug die gesamte Bohrungslänge, das heißt sowohl den ersten Bohrungsabschnitt als auch den zweiten Bohrungsabschnitt, mithilfe der ringförmigen Schneidgruppe mittels zweier kompletter Doppelhübe bearbeitet. Eine darauffolgende zweite Honphase PH2 wurde als Hubveränderungsphase programmiert, in welcher sich die Hublage des Honwerkzeugs von Hub zu Hub ändert. Der Begriff "Hublage" bezeichnet hierbei den Bereich zwischen dem oberen Umsteuerpunkt UO einer Hubbewegung (in der Nähe des Bohrungseintritts) und dem unteren Umsteuerpunkt UU der Hubbewegung näher am eintrittsfernen Ende Bohrung bezogen auf ein maschinenfestes Koordinatensystem. Jede Verlagerung eines Umsteuerpunkts ändert somit auch die Hublage. Im Beispielsfall von
Das über den Hub gemittelte Drehmoment DM schwankte über mehr als 2/3 der mit veränderlichem Hub gefahrenen zweiten Honphase HP2 nur relativ geringfügig innerhalb eines engen Drehmoment-Fensters (im Beispielsfall zwischen ca. 60% und ca. 70% eines Referenzwertes.The torque DM averaged over the stroke fluctuated only relatively slightly within a narrow torque window (in the example between approx. 60% and approx. 70% of a reference value) over more than 2/3 of the second honing phase HP2, which was run with a variable lift.
Der Referenzwert 100% entspricht in diesem Fall dem Nenn-Drehmoment des Spindelantriebs. Diese Schwankung um maximal 15 Prozentpunkte bzw. um ± 5% bis 7.5% um den Mittelwert 65% liegt im Rahmen dessen, was im Rahmen dieser Anmeldung als "im Wesentlichen konstant" bezeichnet wird. Im letzten Abschnitt der zweiten Honphase war jedoch ein deutliches Absinken des Drehmoments auf einen Bereich deutlich unterhalb des genannten Drehmoment-Bereichs erkennbar (siehe Pfeil). Generell könnte festgestellt werden, dass mit Verkürzung der Hublänge während der Konturerzeugung das Spindeldrehmoment sinkt. Vor allem in der letzten Phase, wenn die Hublänge etwa der axialen Länge der Schneidstoffkörper entspricht oder diese sogar unterschreitet, ist ein deutliches Absinken des Drehmoments zu erkennen. Dies führt dazu, dass sich die Schneidstoffkörper in diesem Bereich freischneiden können, und unter Umständen im unteren Bereich des konischen Abschnitts der Bohrung unerwünschte Formabweichungen entstehen können.In this case, the
Deutliche Verbesserungen hinsichtlich der resultierenden Bohrungsform wurden bei einer Verfahrensführung erreicht, bei der in der Hubveränderungsphase (zweite Honphase PH2) simultan zur schrittweisen Verringerung der Hublänge die Drehzahl des Spindelmotors (Spindelantrieb 118) linear von einer Startdrehzahl DZ1 zu Beginn der zweiten Honphase auf eine Enddrehzahl DZ2 am Ende der zweiten Honphase reduziert wurde (vgl.
Eine andere Art der Optimierung der Honoperation kann durch eine prozessintegrierte Drehmomentsteuerung erzielt werden. Die Bearbeitungsmaschine war dabei so eingerichtet, dass durch ein frei programmierbares Solldrehmoment über die gesamte zu honende Bohrungslänge die Drehzahl der Spindel gesteuert werden konnte. Ein entsprechendes Diagramm für die Zeitabhängigkeit der Hubposition HP, der Drehzahl DZ und des gemittelten Spindeldrehmoments DM ist in
Eine weitere Möglichkeit zur günstigen Beeinflussung einer Formhonoperation zur Erzeugung eines axialen Konturverlaufs besteht darin, eine unabhängige Hubverlagerung am oberen Umkehrpunkt UO und am unteren Umkehrpunkt UU zuzulassen bzw. vorzugeben. Beispielsweise könnte die axiale Lage des unteren Umkehrpunkts über die gesamte Hubveränderungsphase (zweite Honphase PH2) konstant bleiben, während sich der obere Umkehrpunkt inkrementell dem unteren Umkehrpunkt annähert, so dass die Hublänge von Hub zu Hub reduziert wird bei unveränderter Lage des unteren Umkehrpunkts (z.B. ähnlich wie bei der Verfahrensführung in
Zusätzliche Freiheitsgrade ergeben sich bei einer Verfahrensvariante, bei der sowohl die Lage des oberen Umkehrpunkts UO als auch die Lage des unteren Umkehrpunkts UU als Funktion der Zeit bzw. als Funktion des Hubs gezielt verändert wird. Bei der Beispiel-Honoperation aus
In vielen Fällen sind die Makroform der Bohrung und die Mikrostruktur der Bohrungsinnenfläche nach der Hubveränderungsphase innerhalb der vorgegebenen Spezifikation so gut, dass die Honbearbeitung mit der Hubveränderungsphase abschließen kann und das Werkstück danach fertig bearbeitet ist. In diesem Fall kann die Hubveränderungsphase die letzte Phase der Honbearbeitung sein. Es ist jedoch auch möglich, mindestens eine weitere Honphase mit bestimmten Honparametern nachzuschalten.In many cases, the macro-shape of the hole and the microstructure of the inner surface of the hole after the stroke modification phase are so good within the given specification that the honing can be completed with the stroke modification phase and the workpiece is then finished. In this case, the stroke change phase can be the last phase of the honing process. However, it is also possible to add at least one additional honing phase with specific honing parameters.
Es kann beispielsweise Fälle geben, in welchen es sich bei der zu erzeugenden Formhonung nicht um eine Glatt- oder Feinhonung handelt. In diesen Fällen ist in der Regel für die fertig bearbeitete Bohrung ein zu erzeugender Honwinkel definiert, z.B. ein Honwinkel im Bereich von 40° bis 60° bei einer konventionellen Plateauhonung. Bedingt durch die Hubverlagerung während der Konturerzeugung kann es sein, dass in diesem Bereich andere als die gewünschten Honwinkel entstehen, z.B. Honwinkel von weniger als15°. Dies kann in manchen Fällen bei der nachfolgenden, Honoperation nicht mehr korrigiert werden. Es ist auch möglich, dass bei der Erzeugung der Kontur durch die Hubverlagerung ein "Stufenprofil" an der Bohrungsinnenfläche erzeugt. Dies kann bei ungünstigem Schneidverhalten der nachfolgenden Honphasen unter Umständen nicht mehr ausreichend egalisiert werden. Außerdem kann es sein, dass keine gezielte Möglichkeit zur Verrundung des Übergangs vom zylindrischen zum konischen Bohrungsbereich existiert. Weiterhin kann es vorkommen, dass es an lokalen Problembereichen einzelner Bauteile schwierig ist, konstant gute Form- und Rundheitswerte zu erzielen. Beispielsweise kann es Abschnitte mit schwacher Zylinderrohranbindung geben, in welchen es schwierig sein kann, die geforderte Rundheit zu erzielen.For example, there may be cases in which the form honing to be produced is not smooth or fine honing. In these cases, a honing angle to be generated is usually defined for the finished bore, e.g. a honing angle in the range of 40° to 60° with conventional plateau honing. Due to the stroke displacement during contour generation, it is possible that honing angles other than the desired ones arise in this area, e.g. honing angles of less than 15°. In some cases, this can no longer be corrected in the subsequent honing operation. It is also possible that a "stepped profile" is created on the inner surface of the bore when the contour is generated by the displacement of the stroke. In the event of unfavorable cutting behavior in the subsequent honing phases, this may no longer be sufficiently equalized. It is also possible that there is no specific way of rounding the transition from the cylindrical to the conical bore area. Furthermore, it can happen that it is difficult to achieve consistently good form and roundness values in local problem areas of individual components. For example, there may be sections of weak cylinder barrel attachment where it may be difficult to achieve the required roundness.
Insbesondere in solchen Fällen kann eine zusätzliche weitere Honphase (dritte Honphase) mit frei wählbarer Hublage, Hubgeschwindigkeit, Drehzahl, Aufweitkraft, Aufweitgeschwindigkeit und Betriebsart (Aufweitung: Kraft/Weg) vorgesehen sein.In such cases in particular, an additional further honing phase (third honing phase) with a freely selectable stroke position, stroke speed, speed, expansion force, expansion speed and operating mode (expansion: force/displacement) can be provided.
Die Honparameter können z.B. so eingestellt werden, dass nach der Konturerzeugung praktisch jeder Honwinkel erzeugt werden kann. Ein anderer Satz von Honparametern kann eingestellt werden, um nach der Konturerzeugung ein evtl. vorhandenes "Stufenprofil" zu egalisieren und/oder um Übergänge zu "verrunden". Alternativ oder zusätzlich kann eine dritte Honphase als positionsbezogenes Ausfeuern programmiert werden, um an lokalen Problembereichen einzelner Bauteile (Bsp.: schwache Zylinderrohranbindung) die Rundheit positiv zu beeinflussen. Es hat sich gezeigt, dass dadurch prozesssichere Rundheitswerte auch an labil angebundenen Zylinderrohren erzielbar sind.For example, the honing parameters can be set in such a way that after the contour has been created, practically any honing angle can be created. Another set of honing parameters can be set in order to equalize any "step profile" that may exist after the contour has been created and/or to "round off" transitions. Alternatively or additionally, a third honing phase can be programmed as position-related sparking out in order to positively influence the roundness in local problem areas of individual components (e.g. weak cylinder tube connection). It has been shown that process-reliable roundness values can also be achieved on unstable connected cylinder tubes.
Claims (15)
- Honing method for machining the internal face (318) of a bore in a workpiece (106) with the aid of at least one honing operation, in particular for honing cylinder running faces in the production of cylinder blocks or cylinder liners for reciprocating piston engines, whereinduring a honing operation a flaring-capable honing tool (200) that is coupled to a spindle (116) is moved back and forth within the bore for generating a reciprocating movement in the axial direction of the bore, and is simultaneously rotated for generating a rotating movement superimposed to the reciprocating movement with a torque transmitted by way of the spindle (116),a bore shape having an axial contour profile, which is rotationally symmetrical in relation to a bore axis (312) and deviates from the circular cylindrical shape, is generated, and for generating an axially variable material removal in at least one stroke modification phase (PH2) a stroke length and/or a stroke orientation of the reciprocating movement is modified,characterized bycontrolling the torque (DM) transmitted by way of the spindle (116) to the honing tool (200) in such a manner that the torque remains substantially constant during the stroke modification phase such that a deviation of the torque, averaged across a stroke, from a torque nominal value is less than 15%.
- Honing method according to claim 1, characterized in that for controlling the torque (DM) in at least one rotating speed modification phase a variation of the rotating speed (DZ) of the honing tool (200) is generated as a function of the stroke length in such a manner that the rotating speed is reduced upon reducing of the stroke length.
- Honing method according to claim 2, characterized in that the variation of the rotating speed (DZ) is made according to a predefined rotating speed variation function.
- Honing method according to any of claims 2 or 3, characterized in that a variation of the rotating speed (DZ) is controlled as a function of the stroke length in such a manner that the rotating speed is reduced in any case when the stroke length corresponds to less than 150%, in particular less than 100%, of the axial length of cutting material members (220-1, 220-2, 220-3) of the honing tool.
- Honing method according to any of the preceding claims, characterized in that empirically or theoretically determined interrelations between stroke length and rotating speed for certain combinations of tool and workpiece types are recorded in a memory of a controller device (180) of a processing machine (100) in the form of appropriate data sets and said data are accessed during programming of the controller for a honing process.
- Honing method according to any of the preceding claims, characterized by regulation of the torque (DM) of a spindle drive (118) provided for rotating the spindle.
- Honing method according to claim 6, characterized in that, on the spindle drive (118), a torque signal representing the current torque of the spindle drive is detected and compared to a nominal value signal representing a nominal value of the torque for evaluation of a nominal value deviation and controlling the torque of the spindle drive is made as a function of the nominal value deviation.
- Honing method according to any of the preceding claims, characterized in that a nominal contour profile of the nominal value of the torque for a honing operation is predefined and a rotating speed is controlled according to the nominal contour profile.
- Honing method according to any of the preceding claims, characterized in that for variation of the stroke length and/or the stroke orientation during the stroke modification phase (PH2) a position of an upper reversal point (UO) and/or a position of a lower reversal point (UU) of a stroke movement is varied according to a predefined setting.
- Honing method according to claim 9, characterized in that at least across a phase the position of an upper reversal point (UO) and the position of a lower reversal point (UU) between successive strokes is varied.
- Honing method according to any of the preceding claims, characterized in that a honing tool (200) is used which has at least one of the following properties:(i) on the annular cutting group (220) more than 60% of the circumference are equipped with cutting means, in particular more than 70% or more than 80% of the circumference of the cutting group;(ii) the axial length (LHS) of the cutting material members is less than 50% of the effective external diameter of the cutting group, in particular between 10% and 30% of said external diameter;(iii) the axial length (LHS) of the cutting material members is in a range from 5 mm to 90 mm;(iv) the axial length (LHS) of the cutting material members is less than 35% of the bore length of the bore.
- Honing method according to claim 11, characterized in that the cutting material members are configured as honing segments (220-1, 220-2, 220-3) that are wide in the circumferential direction and narrow in the axial direction, wherein an axial length (LHS) of the honing segments measured in the axial direction is smaller than the width measured in the circumferential direction.
- Honing method according to claim 11 or 12, characterized in that the cutting group includes at least three honing segments (220-1, 220-2, 220-3), wherein preferably three, four, five or six honing segments having the same or different circumferential widths are provided.
- Processing machine (100) for fine machining an internal face of a bore in a workpiece (106) with the aid of at least one honing operation, in particular for honing cylinder running faces in the production of cylinder blocks or cylinder liners for reciprocating piston engines, comprising at least one spindle (116) for moving a honing tool (200) coupled to the spindle within the bore such that, by means of at least one cutting material member (220-1, 220-2, 220-3) attached to the honing tool, machining of the internal face (318) is performed, characterized in that the processing machine is configured to carry out a honing method according to any of claims 1 to 13 on the workpiece.
- Processing machine according to claim 14, characterized in that a controller device (180) of the processing machine has a device for adjusting a torque nominal value and a torque frame about the torque nominal value.
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