EP3402629B1

EP3402629B1 - Honmaschine

Info

Publication number: EP3402629B1
Application number: EP16820253.9A
Authority: EP
Inventors: Henning Klein; Roland Regler; Uwe Moos
Original assignee: Kadia Produktion GmbH and Co
Current assignee: Kadia Produktion GmbH and Co
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2022-04-27
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: US20190001461A1; US11389921B2; DE102016200295A1; EP3402629A1; WO2017121590A1; CN108883513A; DE202017000022U1; HRP20220874T1; CN108883513B

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK

Die Erfindung betrifft eine Honmaschine zum Honen von Bohrungen in Werkstücken gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem ein Honwerkzeug eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführt und eine ständige Flächenberührung zwischen einem oder mehreren Schneidstoffkörpern des Honwerkzeugs und der zu bearbeitenden Bohrungsinnenfläche vorliegt. Die Kinematik eines aufweitbaren Honwerkzeugs ist charakterisiert durch eine Überlagerung einer Drehbewegung, einer in Axialrichtung der Bohrung verlaufenden, oszillierenden Hubbewegung und einer Aufweitbewegung, die zu einer Veränderung des wirksamen Durchmessers des Honwerkzeugs führt. An der Bohrungsinnenfläche ergibt sich in der Regel eine Oberflächenstruktur mit sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren. Durch Honen endbearbeitete Oberflächen können extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen genügen, so dass viele hoch belastete Gleitflächen in Motoren oder Motorbauteilen, z.B. Zylinderlaufflächen in Motorblöcken oder Bohrungsinnenflächen in Gehäusen von Einspritzpumpen, durch Honen bearbeitet werden.
Eine zum Honen geeignete Honmaschine ist eine Werkzeugmaschine, deren Arbeitsspindel in der Regel als Honspindel bezeichnet wird. Die Honspindel ist in einem Spindelgehäuse beweglich gelagert, mittels eines Drehantriebs um ihre Längsmittelachse (Spindelachse) drehbar und mittels eines Hubantriebs parallel zur Spindelachse oszillierend antreibar. An einem werkzeugseitigen Ende weist die Honspindel eine Einrichtung zum Befestigen einer Honwerkzeuganordnung mit einem aufweitbaren Honwerkzeug auf. Für die Aufweitung des Honwerkzeugs gibt es unterschiedliche Konzepte. Häufig ist ein Aufweitantrieb zur Aufweitung des Honwerkzeugs vorgesehen, wobei der Aufweitantrieb mit dem Spindelgehäuse verbunden ist und über ein Aufweitgetriebe auf eine im Inneren der Honspindel verlaufende Zustellstange wirkt, die mittelbar oder unmittelbar eine radiale Verschiebung von Schneidstoffkörpern des Honwerkzeugs bewirkt.
Zur Optimierung der Wirtschaftlichkeit und Qualität von Honverfahren werden zunehmend hochdynamische Direktantriebe für Hub und Rotation eingesetzt, die eine Honbearbeitung mit hohen Hubgeschwindigkeiten (zurzeit beispielsweise bis ca. 100 m/min) und Drehzahlen (zurzeit beispielsweise bis ca. 5000 U/min) ermöglichen. Es besteht Bedarf an Honmaschinen, die auch unter sehr dynamischen Arbeitsbedingungen den angestrebten Zweck erfüllen.
Zur hochdynamischen Bewegung von Maschinenteilen sind Direktantriebe bekannt, insbesondere in der Ausführung als Linearmotor. In der DE 102 25 514 B4 ist eine Honmaschine beschrieben, deren Hubantrieb ein Linearmotor ist. Direktantriebe zeichnen sich durch das Potential aus, hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der damit angetriebenen Maschinenachse bei gleichzeitiger reibungsfreier Bewegungserzeugung zu ermöglichen.
Die GB 2 450 445 A bildet die Grundlage für die zweiteilige Form des Anspruchs 1 und offenbart eine Honmaschine zum Honen von Bohrungen in Werkstücken.
Die Honmaschine hat eine Honspindel. Die Honspindel ist in einem Spindelgehäuse beweglich gelagert. Dieses umfasst eine Trägereinheit, die einen vertikal ausgerichteten rohrartigen Rahmen umfasst. Die Spindel ist mittels eines Hubantriebs parallel zur Spindelachse oszillierend antreibbar. An einem werkzeugseitigen Ende der Honspindel ist eine Einrichtung zum Befestigen einer Honwerkzeuganordnung mit einem aufweitbaren Honwerkzeug vorgesehen. Ein Aufweitantrieb ist mit einer im Inneren der Honspindel verlaufenden Zustellstange gekoppelt. Der nicht näher beschriebene Aufweitantrieb ist an der Oberseite des nicht näher beschriebenen Drehantriebs befestigt, wird von diesem getragen und hat selbst keine feste Verbindung zu der Trägereinheit und dem Rahmen des Spindelgehäuses.

AUFGABE UND LÖSUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Honmaschine bereitzustellen, die eine wirtschaftliche Fertigung gehonter Werkstücke mit kurzen Taktzeiten bei hoher Qualität ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung eine Honmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird zur Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Eine Honmaschine gemäß der beanspruchten Erfindung weist ein Monocoque-Gehäuse auf, das einen als Spindelgehäuse dienenden Spindelgehäuse-Abschnitt zur Aufnahme des Drehantriebs und einen einstückig mit dem Spindelgehäuse-Abschnitt ausgebildeten Aufweitsystem-Abschnitt zur Aufnahme des Aufweitantriebs aufweist.
Dabei ist der Drehantrieb als elektrischer Direktantrieb ausgebildet und weist einen fest im Spindelgehäuse-Abschnitt des Monocoque-Gehäuses montierten Stator sowie einen an der Außenseite der Honspindel montierten Rotor auf, der sich innerhalb des Stators drehen kann. Weiterhin ist der Aufweitantrieb als elektrischer Direktantrieb ausgebildet, wobei ein Stator des Aufweitantriebs fest im Aufweitsystem-Abschnitt des Monocoque-Gehäuses montiert ist und ein gegenüber dem Stator drehbare Rotor mit der Zustellstange so gekoppelt ist, dass eine Drehung des Rotors des Aufweitantriebs gegenüber dem Stator eine axiale Bewegung der Zustellstange parallel zur Spindelachse bewirkt.
Sofern der Aufweitantrieb über ein Aufweitgetriebe mit der Zustellstange bewegungstübertragend gekoppelt ist, ist vorzugsweise auch das Aufweitgetriebe in dem Aufweitsystem-Abschnitt untergebracht.
Ein Monocoque-Gehäuse bietet gegenüber herkömmlichen Lösungen mit separaten Gehäusen für Drehantrieb und Aufweitantrieb u.a. die Möglichkeit einer erheblichen Gewichtsersparnis, da aufgrund der integrierten Bauform einige Gehäuseteile, Flansche, Befestigungsmittel etc. entfallen können. Dies bringt gerade bei Honmaschinen spezifische Vorteile. Bei Honmaschinen müssen Antriebe neben den Prozesskräften auch Gewichts- und Beschleunigungskräfte aufbringen. Insbesondere bei hochdynamischen Maschinen und/oder vertikal verlaufenden Achsbewegungen führt dies dazu, dass große Antriebsleistungen vorgehalten werden müssen, die meist ihrerseits wieder mit einer Vergrößerung der bewegten Masse einhergehen. Eine Gewichtsersparnis schafft hier erheblich bessere Bedingungen.
Neben der Gewichtsersparnis ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Präzision der gegenseitigen Ausrichtung von Aufweitantrieb oder Aufweitsystem und Drehantrieb und bei der Montage. Während bei herkömmlichen Honmaschinen das Aufweitsystem typischerweise als eine vom Spindelgehäuse separate Baugruppe gefertigt wurde, die mithilfe eines Anschlussflansches an das Spindelgehäuse mit Drehantrieb angeflanscht wurde, können diese Montageschritte bei Verwendung eines Monocoque-Gehäuses entfallen. Wegen der integrierten Gehäusebauform und dem Wegfall von Verbindungsstellen zwischen separaten Gehäusen besteht auch nicht mehr die Gefahr, dass sich die Verbindungen zwischen separaten Gehäuseteilen bei längerer Wechselbeanspruchung lockern können.
Es ist möglich, das Monocoque-Gehäuse aus einem konventionellen Stahlwerkstoff herzustellen. Vorzugsweise werden jedoch weitere Maßnahmen zur Gewichtsreduzierung ergriffen. Ein Monocoque-Gehäuse könnte z.B. als Aluminiumgussteil (Aluminium oder Aluminiumlegierung, z.B. Al-Mg) hergestellt werden. Als besonders vorteilhaft werden Ausführungsformen angesehen, bei denen das Monocoque-Gehäuse als Leichtbau-Komponente unter Verwendung eines Leichtbau-Konstruktionswerkstoffs hergestellt ist. Wenn das mit der Honspindel bewegliche Monocoque-Gehäuse eine Leichtbau-Komponente, d.h. eine unter Verwendung eines Leichtbau-Konstruktionswerkstoffs hergestellte Komponente, ist, dann kann die bewegte Masse gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich reduziert werden. Eine geringere bewegte Masse bewirkt, dass mit der zur Verfügung stehenden Kraft eine höhere Beschleunigung der Masse möglich ist. Dies ist besonders beim Honen vorteilhaft, da hier bei der Hubbewegung eine axiale hin- und hergehende Bewegungskomponente vorliegt. Noch deutlicher wird der Nutzen bei Vertikal-Honmaschinen, da bei einer vertikalen Anordnung der axialen Bewegung die Reduktion der Gewichtskraft der bewegten Bauteile sich zusätzlich positiv auf das dynamische Verhalten der Honmaschine auswirkt.
Bei vielen Bearbeitungsaufgaben ist die Amplitude der axialen Bewegung durch äußere Beschränkungen wie die Werkstücklänge vorgegeben. Eine Erhöhung der Maximalgeschwindigkeit und der Beschleunigung in den Umsteuerpunkten der Hubbewegung führt zu einer erhöhten mittleren Axialgeschwindigkeit. Oftmals begrenzt die Axialgeschwindigkeit die mögliche Schnittgeschwindigkeit und somit den erreichbaren Werkstoffabtrag. Deshalb können mit erhöhten axialen Geschwindigkeiten letztendlich kürzere Bearbeitungszeiten und somit kürzere Taktzeiten für ein Werkstück erreicht werden.
Gemeinsam mit erhöhter Dynamik von bewegten Maschinenteilen können auch Schwingungen auftreten. Diese sind in der Regel unerwünscht, da die Bearbeitungsqualität durch diesen Störfaktor sinkt. Durch die Verwendung geeigneter Leichtbau-Konstruktionswerkstoffe mit hoher Steifigkeit und guten Dämpfungseigenschaften anstelle massiver Bauteile aus Stahl oder anderen herkömmlicher Konstruktionswerkstoffen lassen sich unerwünschte Schwingungen stärker dämpfen, so dass das Bearbeitungsergebnis verbessert wird.
Eine verringerte bewegte Masse kann weiterhin zur Senkung des Energieverbrauchs einer Bearbeitungsmaschine beitragen, so dass hier eine Steigerung der Energieeffizienz als zusätzlicher Nutzen entsteht.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Monocoque-Gehäuse unter Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs hergestellt. Komponenten, die unter Verwendung (mindestens) eines Faserverbundwerkstoffs hergestellt werden, können ausreichend Steifigkeit und gute Dämpfung bei sehr geringer Masse bieten. Durch die Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs für die Herstellung oder bei der Herstellung einer mit der Honspindel beweglichen Komponenten der Honmaschine ist es möglich, das Gewicht und die Massenträgheit der entsprechenden Komponente im Vergleich zu einer ähnlich gestalteten und dimensionierten Komponente aus einem metallischen Werkstoff (zum Beispiel Stahlwerkstoff oder Aluminiumwerkstoff) erheblich zu reduzieren. Gleichzeitig kann eine ausreichende Steifigkeit der entsprechenden Komponente sichergestellt werden. Hierdurch kann die Steigerung der Dynamik der Honbearbeitung ohne Einbußen bei der Qualität erreicht werden.
Vorzugsweise wird als Faserverbundwerkstoff ein carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) verwendet, der auch als kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (KFK) bezeichnet werden kann. Bei einem derartigen Faserverbundwerkstoff sind Kohlestofffasern in einer Matrix aus Kunststoff (beispielsweise einem Epoxidharz, einem anderen Duromer oder einem Thermoplast) eingebettet. Dabei profitieren die mechanischen Eigenschaften des ausgehärteten Faserverbundwerkstoffs von der Zugfestigkeit der Kohlenstofffasern. Die Kunststoff-Matrix verhindert, dass sich die Fasern unter Belastung gegeneinander verschieben und trägt außerdem zu den Dämpfungseigenschaften des Materials bei. Alternativ oder zusätzlich ist es z.B. auch möglich, als Faserverbundwerkstoff einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) zu verwenden. Bei der Herstellung einer mit der Honspindel beweglichen Komponente können zwei oder mehr Faserverbundwerkstoffe unterschiedlichen Typs kombiniert werden.
Eine unter Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs hergestellte Leichtbau-Komponente kann im Wesentlichen vollständig aus dem faserverstärkten Kunststoffmaterial bestehen. In manchen Fällen ist es auch möglich, die entsprechende Leichtbau-Komponente so zu konstruieren, dass sie einen Kern geringer Massendichte aufweist, der durch eine Hülle aus Faserverbundwerkstoff umschlossen ist. Hierdurch kann bei mindestens gleichbleibender mechanischer Stabilität der Komponente die bewegliche Masse weiter verringert werden. Der Kern kann beispielsweise im Wesentlichen aus einem druckstabilen Leichtmaterial bestehen, in welchem Hohlräume eingeschlossen sind.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, das Monocoque-Gehäuse und/oder eine oder mehrere andere mit der Honspindel bewegliche Komponenten unter Verwendung eines Metallschaums herzustellen, beispielsweise eines Aluminiumschaums.
Weiterhin ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass die drehbar gelagerte Honspindel als Leichtbau-Komponente ausgebildet ist.
Bei manchen Ausführungsformen weist der Hubantrieb einen Linearmotor mit einem an einem Ständer der Honmaschine befestigten Primärteil und einen gegenüber dem Primärteil linear verfahrbaren Sekundärteil auf, welches in einen das Spindelgehäuse tragenden Schlitten integriert ist, wobei mindestens ein Bauteil des Schlittens als Leichtbau-Komponente ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Schlitten eine Schlittenplatte enthalten, die als Leichtbau-Komponente ausgebildet ist.
Neben den erheblichen Vorteilen im Betrieb der Honmaschine lassen sich auch bei der Herstellung Vorteile erzielen. Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Leichtbau-Komponente, insbesondere das Monocoque-Gehäuse, ggf. auch andere Komponenten, unter Nutzung eines endformnahen Herstellungsverfahrens hergestellt ist, welches mindestens einen Fertigungsschritt des Laminierens, des Aufschäumens und/oder des 3D-Druckens umfasst. Solche Herstellungsverfahren kommen in der Regel mit relativ wenig spanender Nachbearbeitung oder völlig ohne spanende Nachbearbeitung aus und erlauben eine schnelle, kostengünstige Herstellung auch komplexer Formen.
Die Komponenten der Honmaschine sind während des Betriebs teilweise erheblichen dynamischen und statischen Belastungen ausgesetzt. Um diesen dauerhaft standhalten zu können, ist bei bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, dass die Leichtbau-Komponente an mindestens einer Verbindungsstelle zur Verbindung der Leichtbau-Komponente mit einem anderen Bauteil ein nicht aus einem Leichtbau-Konstruktionswerkstoff bestehendes Einlegeteil aufweist. Das Einlegeteil kann beispielsweise im Wesentlichen aus Stahl, Aluminium, Magnesium, Messing oder Titan bestehen. Hierdurch kann beispielsweise im Bereich von Schraubverbindungen zu benachbarten Komponenten eine Stabilisierung der Leichtbau-Komponente erzielt werden.
Die Möglichkeit, auch komplexe Formen mithilfe eines Leichtbau-Konstruktionswerkstoffes schnell und günstig herzustellen, wird bei manchen Ausführungsformen dadurch genutzt, dass in der Leichtbau-Komponente mindestens ein von einer Eingangsöffnung zu einer Ausgangsöffnung führender Durchgangskanal ausgebildet ist, durch den ein fließfähiges Medium oder mindestens eine Leitung hindurchgeführt oder hindurchführbar ist. Solche Durchgangskanäle können beispielsweise vorgesehen sein, um Kühlschmierstoffleitungen, Pneumatikleitungen, elektrische Leitungen und/oder Ähnliches hindurchzuführen. Werden solche Leitungen durch das Innere einer Leichtbau-Komponente hindurchgeführt, können sie durch die Leichtbau-Komponente gegen Umgebungseinflüsse geschützt werden und die gesamte Honmaschine macht darüber hinaus einen "aufgeräumten" Eindruck. Ein Durchgangskanal kann auch unmittelbar als Leitung für ein fließfähiges Medium, z.B. ein Kühlflüssigkeit oder Kühlschmierstoff, genutzt werden.
Die Honmaschine kann als Horizontal-Honmaschine (mit horizontal ausgerichteter Honspindel) oder als Vertikal-Honmaschine (mit vertikal ausgerichteter Honspindel) ausgestaltet sein. Besondere Vorteile bieten sich bei Vertikal-Honmaschinen, da dort auch der Einfluss der Gewichtskraft auf die Hubbewegung durch Verwendung von Leichtbau-Komponenten reduziert werden kann.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

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.

Fig. 1 zeigt einige Komponenten einer Honmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei Fig. 1A einen Längsschnitt und Fig. 1B eine vertikale Draufsicht zeigt;
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer Honmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau eine Honmaschine mit konventionellem Aufbau.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Zur Erleichterung des Verständnisses von Verbesserungen und Vorteilen erfindungsgemäßer Honmaschinen im Vergleich zum Stand der Technik wird zunächst anhand von Fig. 3 ein Beispiel einer herkömmlichen Honmaschine 300 erläutert, welche im Prinzip so aufgebaut sein kann, wie in der DE 102 25 514 B4 beschrieben. Auf einer Bearbeitungsplattform ist ein Werkstück 390 aufgespannt, dessen Bohrung 392 mithilfe des Honwerkzeugs 380 gehont werden soll. Das Honwerkzeug 380 ist in einen Konus am unteren Ende einer Honspindel 370 aufgenommen und wird in Betrieb der Honmaschine gemeinsam mit der Honspindel in einer vertikalen Hubbewegung auf- und ab bewegt. Dadurch wird die vertikale Bewegungskomponente der Arbeitsbewegung des Honwerkzeugs durchgeführt.
Die Honspindel ist in einem metallischen Spindelgehäuse 330 beweglich gelagert und kann mittels eines Drehantriebs in Form eines in das Spindelgehäuse integrierten Elektromotors um ihre Spindelachse (Längsmittelachse) gedreht werden. Dadurch wird die rotative Komponente der Arbeitsbewegung des Honwerkzeugs erzeugt.
Die Honspindel wird mittels eines Hubantriebs parallel zu ihrer Spindelachse oszillierend angetrieben. Der Hubantrieb umfasst einen elektrischen Linearmotor mit einem an einem Ständer 302 der Honmaschine befestigten Primärteil und einem gegenüber dem Primärteil linear verfahrbaren Sekundärteil. Der Sekundärteil ist in einen aus Stahl hergestellten Schlitten 310 integriert, der an einer vertikalen Führungseinrichtung linear verfahrbar geführt ist. Der Schlitten 310 trägt das Spindelgehäuse 330, welches somit gemeinsam mit dem Schlitten vertikal aufund ab bewegt werden kann. Der Sekundärteil ist dabei der bewegte Teil und der Primärteil der ortsfeste Teil eines elektrischen Linearmotors.
Für die Aufweitung des aufweitbaren Honwerkzeugs, also für die Veränderung des wirksamen Durchmessers des Honwerkzeugs, ist ein elektrischer Aufweitantrieb vorgesehen, der über ein Aufweitgetriebe mit einer im Inneren der Honspindel 370 axial beweglich geführten Zustellstange gekoppelt ist. Das metallische Gehäuse 350, welches den Aufweitantrieb umgibt, ist an die Oberseite des Spindelgehäuses angeflanscht.
Zur Bearbeitung der Bohrung 392 wird die Honeinheit mit Spindelgehäuse 330 und Honspindel 370 sowie dem darin aufgenommenen Honwerkzeug 380 so weit abgesenkt, dass die Honleisten 382 des Honwerkzeugs in die Bohrung eintauchen. Dann wird die Honspindel 370 gleichzeitig hin und her (das heißt auf und ab) bewegt und gedreht. Die beiden Arbeitsbewegungen werden so aufeinander abgestimmt, dass an der Innenfläche der bearbeiteten Bohrung ein für das Hon typisches Kreuzschliffmuster entsteht.
Der vertikale Träger 302 sowie die daran angebrachten Laufschienen für den Schlitten 310 und der Primärteil des Linearmotors gehören zu den ortsfesten Komponenten der Honmaschine. Der Schlitten 310 mit dem darin integrierten Sekundärteil des Linearmotors sowie alle von dem Schlitten getragenen Komponenten gehören zu denjenigen Komponenten, die während der Bearbeitung gemeinsam in der Honspindel bewegt werden.
Anhand der Fig. 1A, 1B und 2 werden nun Ausführungsbeispiele von Honmaschinen beschrieben, die gemäß der beanspruchten Erfindung ausgebildet sind. Die ortsfesten Komponenten können dabei genauso ausgestaltet sein wie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben. Auch das Honwerkzeug sowie die Einrichtungen zum Befestigen der Honwerkzeuganordnung mit einem aufweitbaren Honwerkzeug am werkzeugseitigen Ende der Honspindel können strukturell ähnlich oder identisch zu denjenigen des Standes der Technik sein. Wichtige Unterschiede liegen im Aufbau und zum Teil in der Gestaltung von Komponenten der Honmaschine, die während der Bearbeitung gemeinsam mit der Honspindel bewegt werden.
Die Honspindel 170 des Ausführungsbeispiels ist innerhalb eines Gehäuses 150 mithilfe von Wälzlagern derart drehbar gelagert, dass sie sich um ihre vertikale Spindelachse 172 gegenüber dem Gehäuse 150 drehen kann. Der Drehantrieb 135 ist als elektrischer Direktantrieb ausgebildet und umfasst einen fest im Gehäuse 150 montierten Stator 135-1 sowie einen an der Außenseite der Honspindel 170 montierten Rotor 135-2, der sich innerhalb des Stators drehen kann.
Die Honspindel 170 hat eine innere Durchgangsbohrung, in der eine Zustellstange 180 des Aufweitsystems axial beweglich geführt ist. Die Zustellstange dreht sich mit der Drehzahl der Honspindel mit dieser mit. Die Axialbewegung der Zustellstange wird mithilfe eines Aufweitantriebs 155 bewirkt, der als elektrischer Direktantrieb ausgebildet ist. Ein Stator 155-1 des Aufweitantriebs ist in Bezug auf das Gehäuse 150 fest montiert. Der gegenüber dem Stator drehbare Rotor 155-2 ist mit einer Spindelmutter 157 gekoppelt, deren Innengewinde mit dem Au-βengewinde einer Gewindespindel 158 des Aufweitantriebs zusammenwirkt. Die Gewindespindel 158 ist fest einem fest mit dem Gehäuse 150 verbundenen Gehäusedeckel angebracht. Bei Drehung des Rotors läuft die Spindelmutter an der Gewindespindel entlang, wodurch der (kürzere) Rotor axial gegenüber dem (längeren) Stator axial bewegt wird. Die Spindelmutter ist über eine mit der Spindelmutter drehende und gegenüber der Zustellstange drehbar gelagerte Aufnahmehülse 159 mit der Zustellstange so gekoppelt, dass die Axialbewegung der Spindelmutter auf die Zustellstange übertragen wird. Somit bewirkt eine Drehung des Rotors 155-2 des Aufweitantriebs 155 gegenüber dem Stator eine axiale Bewegung der Zustellstange 180 parallel zur Spindelachse 172. Diese Zustellung kann taktend oder geregelt erfolgen. Die Kombination aus Spindel 158 und Spindelmutter 157 wirkt als Aufweitgetriebe, das die Drehung des Rotors in eine axiale Bewegung der Zustellstange umwandelt.
Eine Besonderheit besteht darin, dass das Gehäuse 150 im Wesentlichen aus einem einzigen Bauteil besteht, das sowohl als Gehäuse für den Drehantrieb 135 der Honspindel 170 als auch als Gehäuse für den Aufweitantrieb 155 dient. Hierzu hat das Gehäuse 150 einen Spindelgehäuse-Abschnitt 150-1, der den Stator 135-1 des Drehantriebs 135 für die Honspindel umschließt, sowie einen einstückig mit dem Spindelgehäuse-Abschnitt ausgebildeten, im Durchmesser kleineren Aufweitsystem-Abschnitt 150-2, der u.a. zur Aufnahme des Aufweitantriebs 155 dient. Diese Integration mehrerer im Stand der Technik getrennt gefertigter Bauteile und danach aneinander montierter Bauteile in einem einzigen Bauteil wird hier auch als Monocoque-Gehäuse 150 bezeichnet.
Im Vergleich zum Stand der Technik gemäß Fig. 3 entfällt unter anderem die Schnittstelle zwischen dem Gehäuse des Spindelmotors und dem davon gesonderten Gehäuse, welches den Aufweitantrieb und das Aufweitgetriebe umschließt. Somit können potenzielle Fehlerursachen, wie beispielsweise das unbeabsichtigte Lösen von Verbindungen im Bereich der Schnittstelle bei längerem Betrieb sowie eventuelle Fehljustierungen bei der Ausrichtung von Aufweitantrieb und Spindelantrieb prinzipiell vermieden werden.
Eine weitere Besonderheit liegt darin, dass mehrere gemeinsam mit der Honspindel 170 bewegliche Komponenten als Leichtbau-Komponenten unter Verwendung mindestens eines Leichtbau-Konstruktionswerkstoffs hergestellt sind.
Beispielsweise ist das Gehäuse 150 (Monocoque-Gehäuse) ein einstückiger, länglicher Hohlkörper, dessen Wandabschnitte unter Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs, beispielsweise Karbon-faserverstärktem Kunststoff (CFK), hergestellt sind. Dabei bestehen die äußeren und inneren Wandungen des Monocoque-Gehäuses im Wesentlichen aus schichtweise laminiertem Faserverbundwerkstoff FV, während zwischen den Außenwänden ein Kern K mit geringer Massendichte liegt, der beispielsweise durch druckstabilen Füllstoff mit Glaskügelchen oder anderen steifen, leichten Hohlkörpern gefüllt ist (siehe Detailvergrößerung in Fig. 1A). Im Vergleich zu einem aus Stahlwerkstoff oder einem anderen massiven metallischen Werkstoff hergestellten Gehäuse gleicher Dimensionen ergibt sich dadurch eine erhebliche Gewichtsersparnis bei mindestens gleichbleibender Steifigkeit.
Weiterhin ist der am ortsfesten Ständer 102 linear geführte Schlitten 110 bei gleicher Dimension wie ein herkömmlicher Schlitten wesentlich leichter, da die Schlittenplatte 112 als wesentliche Komponente des Schlittens ebenfalls als Leichtbau-Komponente unter Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs hergestellt ist. Die darin integrierten Komponenten, beispielsweise der Sekundärteil des Linearmotors für die Hubbewegung können wie bei der herkömmlichen Honmaschine ausgestaltet sein.
In der Schlittenplatte 112 verläuft ein von oben nach unten durchgehender Durchgangskanal 113, durch den ausgehend von einem (nicht dargestellten) oberen Medienanschluss eine Kühlflüssigkeit zur Werkzeugkühlung hindurchgeleitet werden kann. Weiterhin verlaufen in der Schlittenplatte 112 und im Monocoque-Gehäuse weitere Durchgangsbohrungen 114A, 114B, die von einem oberen Medienanschluss durch horizontale Abschnitte hindurch in das Innere des Monocoque-Gehäuse führen. Diese dienen der Zufuhr von Kühlflüssigkeit für die Kühlung des Drehantriebs 135. Durch weitere vertikale Durchgangskanäle 115 können elektrische Leitungen, z.B. für Geber oder Sensoren, hindurchgeführt werden.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist in den meisten Details ähnlich oder identisch aufgebaut wie das Ausführungsbeispiel von Fig. 1. Ein Unterschied besteht in der Ausgestaltung der inneren Kontur des Monocoque-Gehäuses 250 im Bereich des Übergangs zwischen dem Aufweitsystem-Abschnitt 250-2 und dem daran anschließenden Spindelgehäuse-Abschnitt 250-1 größeren Durchmessers. Der Stator des Aufweitantriebs stützt sich im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 axial auf einen Ringbund 156 ab, der ausgehend von der Gehäusewandung nach innen ragt und eine Durchgangsöffnung für die Zustellstange umgibt. Zur Erzeugung dieses Ringbundes bzw. dieser Schulter werden bei der Herstellung des Ausführungsbeispiels zwei Formen verwendet, nämlich eine Form, welche von oben den Innenbereich bis zur der Schulter (Ringbund 156) reicht und eine andere Form, welche von der unteren Durchlassöffnung für die Honspindel bis zur Schulter reicht.
Bei der Variante von Fig. 2 entfällt dieser Ringbund, wodurch es möglich ist, das Monocoque-Gehäuse 250 mit nur einer einzigen Innenform herzustellen, die von der Seite des größeren Durchmessers eingeführt und an dieser Seite auch entnommen werden kann. Um die Stützfunktion für den Stator zu gewährleisten, ist beim Ausführungsbeispiel von Fig. 2 vorgesehen, dass diejenige Innenhülse 255, die unter anderem das obere Drehlager für die Honspindel hält, in Richtung des kleineren Durchmessers fortgeführt wird und am Ende nach innen gezogen ist, so dass eine Abstützfläche für den Stator gebildet wird.
Einige Aspekte bevorzugter Ausführungsbeispiele könne wie folgt beschrieben werden Die Masse einiger Komponenten einer Honspindeleinheit, die im Regelfall einer Bewegung ausgesetzt sind, wird durch die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen und/oder anderen Leichtbau-Konstruktionswerkstoffen reduziert. Während Antriebs- und Lagerkomponenten nicht primär in einem Verbundwerkstoff ausgeführt werden können, bieten sich für Gehäuse- und Verbindungsbauteile die Ausführungen als Verbundwerkstoff, beispielsweise Glasfaserverstärkter oder Kohlenstofffaser-verstärkter Kunststoff (GFK/CFK), an. Weiterhin sind geschäumte Werkstoffe wie Metallschäume (z.B. Aluminiumschaum) in Rohform, als Sandwich-Komponenten mit Deckblechen oder als Füllmaterial zwischen Innen- und Außengeometrie möglich.
Während Stahl eine Dichte von ca. 7,85 g/cm³, Aluminium 2,71 g/cm³, und Titan eine Dichte von 4,5 g/cm³ aufweist, beträgt die Zugfestigkeit, ein Maß für die mechanische Belastbarkeit des Werkstoffes, bei Stahl ca. 300-900 N/mm² bei Aluminium ca. 60-500 N/mm², und bei Titan ca. 300-1000 N/mm².
Glasfaserverbundwerkstoffe haben bei einer Dichte von ca. 2 g/cm³ eine Zugfestigkeit von, je nach Richtung der Fasern, bis zu 1000 N/mm². Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe weisen bei einer Dichte von ca.1,5 g/cm² eine Zugfestigkeit von bis zu 1400 N/mm² auf. Aramidfaserverstärkte Kunststoffe weisen bei ähnlichen Zugfestigkeiten wie Kohlenstofffaserverstärke Kunststoffe noch geringere Dichten von ca. 1,4 g/cm³ auf. Aluminiumschäume in Reinform haben eine Dichte von -0,5 g/cm³. Mit Verbund- bzw. Sandwichmaterialien erscheinen etwa 1,0 g/cm³ realistisch.
Eine werkstoffgerechte Ausführung der Geometrie der mit der Honspindel beweglichen Komponenten kann dazu beitragen, die Potentiale von Leichtbau-Konstruktionswerkstoffen beim Aufbau einer Honspindeleinheit auszuschöpfen. Dies kann u.a. bedeuten, dass Bauteile möglichst schlank gestaltet sein können und nur an Stellen, die Kräfte aufnehmen oder ableiten, mehr Werkstoff vorhanden sein sollte.
Durch Reduktion von Verbindungsstellen sowie eine Substitution von Schraubverbindungen z.B. durch Klebverbindungen oder Einlaminieren von Verbindungsteilen lässt sich die bewegte Masse reduzieren. Bei laminierten oder geschäumten Bauteilen (wie z.B. GFK, CFK, Aramidfasern...) ist im Bereich von Verbindungsstellen aus konstruktiven Gründen die Verwendung von vollmetallischen Einlegeteilen möglich, bspw. aus den Werkstoffen Stahl, Aluminium, Magnesium, Messing oder Titan.
Zur Umsetzung des Leichtbaugedankens ist weiterhin die Verwendung des in dieser Anmeldung vorgeschlagenen Monocoques, d.h. eines ganzheitlichen Gehäusekörpers möglich. Beispielsweise ist ein durchgängiges Rohr möglich, in dem sämtliche Komponenten (Spindelmotor zur Erzeugung der Werkzeug-Rotation, Aufweitgetriebe zur aktiven Werkzeugzustellung und Spannen/Lösen des Werkzeuges in der Bearbeitungsspindel ...) sowie Verbindungselemente und Schnittstellen (Kabel, Medien) integriert sind. Dadurch lässt sich die Anzahl der verwendeten Bauteile, und damit auch die Masse, reduzieren.
Eine endformnahe Herstellung gibt die Möglichkeit, mit minimaler Nachbearbeitung, beispielsweise nur an Passungen und Anschraubflächen, und anschließender Montage vormontierter Einzelbaugruppen eine masse- und leistungsorientierte Bearbeitungseinheit einfach herzustellen. Durch die Reduktion der Anzahl von Bauteilen liegen weniger Schnittstellen vor, wodurch die Wahrscheinlichkeit sich lösender Verbindungen sinkt. Das Monocoque-Gehäuse leitet die auftretenden Kräfte bestmöglich innerhalb des Gehäusekörpers ab. Diese Aspekte erhöhen die Genauigkeit der Bearbeitungseinheit.

Claims

Honmaschine (100) zum Honen von Bohrungen in Werkstücken mit:
einer Honspindel (170), die

in einem Spindelgehäuse (130) beweglich gelagert ist,

mittels eines Drehantriebs (135) um eine Spindelachse (172) drehbar ist,

mittels eines Hubantriebs parallel zur Spindelachse oszillierend antreibar ist und

an einem werkzeugseitigen Ende eine Einrichtung zum Befestigen einer Honwerkzeuganordnung mit einem aufweitbaren Honwerkzeug aufweist, und

einem Aufweitantrieb zur Aufweitung des Honwerkzeugs, wobei der Aufweitantrieb mit dem Spindelgehäuse verbunden und mit einer im Inneren der Honspindel verlaufende Zustellstange (180) gekoppelt ist;

gekennzeichnet durch ein Monocoque-Gehäuse (150), das einen als Spindelgehäuse dienenden Spindelgehäuse-Abschnitt (150-1) zur Aufnahme des Drehantriebs (135) und einen einstückig mit dem Spindelgehäuse-Abschnitt ausgebildeten Aufweitsystem-Abschnitt (150-2) zur Aufnahme des Aufweitantriebs (155) aufweist, wobei

der Drehantrieb (135) als elektrischer Direktantrieb ausgebildet ist und einen fest im Spindelgehäuse-Abschnitt (150-1) des Monocoque-Gehäuses (150) montierten Stator (135-1) sowie einen an der Außenseite der Honspindel (170) montierten Rotor (135-2) umfasst, der sich innerhalb des Stators drehen kann und

der Aufweitantrieb (155) als elektrischer Direktantrieb ausgebildet ist, wobei ein Stator (155-1) des Aufweitantriebs fest im Aufweitsystem-Abschnitt (150-2) des Monocoque-Gehäuse (150) montiert ist und ein gegenüber dem Stator (155-1) drehbare Rotor (155-2) mit der Zustellstange (180) so gekoppelt ist, dass eine Drehung des Rotors (155-2) des Aufweitantriebs (155) gegenüber dem Stator (155-1) eine axiale Bewegung der Zustellstange (180) parallel zur Spindelachse (172) bewirkt.
Honmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitantrieb (155) über ein Aufweitgetriebe mit der Zustellstange (180) gekoppelt ist, wobei das Aufweitgetriebe in dem Aufweitsystem-Abschnitt (150-2) untergebracht ist.
Honmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitsystem-Abschnitt (150-2) des Monocoque-Gehäuses (150) im Durchmesser kleiner ist als der Spindelgehäuse-Abschnitt (150-1) des Monocoque-Gehäuses (150).
Honmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Monocoque-Gehäuse (150) als Leichtbau-Komponente unter Verwendung eines Leichtbau-Konstruktionswerkstoffs hergestellt ist, wobei vorzugsweise das Monocoque-Gehäuse (150) als Leichtbau-Komponente unter Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs hergestellt ist, wobei der Faserverbundwerkstoff vorzugsweise ein carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ist.
Honmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Monocoque-Gehäuse (150) mindestens eine weitere mit der Honspindel bewegliche Komponente der Honmaschine als Leichtbau-Komponente unter Verwendung eines Leichtbau-Konstruktionswerkstoffs, insbesondere eines Faserverbundwerkstoffs hergestellt ist.
Honmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die unter Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs hergestellte Leichtbau-Komponente einen Kern (K) geringer Massendichte aufweist, der durch eine Hülle aus Faserverbundwerkstoff (FV) umschlossen ist, wobei vorzugsweise der Kern im Wesentlichen aus einem druckstabilen Leichtmaterial besteht, in welchem Hohlräume eingeschlossen sind.
Honmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubantrieb einen Linearmotor mit einem an einem Ständer (102) der Honmaschine befestigten Primärteil und einem gegenüber dem Primärteil linear verfahrbaren Sekundärteil aufweist, welches in einen das Spindelgehäuse (150) tragenden Schlitten (110) integriert ist, wobei eine Schlittenplatte (112) und/oder ein mindestens anderes Bauteil des Schlittens (110) als Leichtbau-Komponente ausgebildet ist
Honmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtbau-Komponente unter Nutzung eines endformnahen Herstellungsverfahrens hergestellt ist, welches mindestens einen der folgenden Schritte umfasst: Laminieren; Schäumen; 3D-Drucken.
Honmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtbau-Komponente an mindestens einer Verbindungsstelle zur Verbindung der Leichtbau-Komponente mit einem anderen Bauteil ein nicht aus einem Leichtbau-Konstruktionswerkstoff bestehendes Einlegeteil aufweist, wobei vorzugsweise das Einlegeteil im Wesentlichen aus Stahl, Aluminium, Magnesium, Messing oder Titan besteht.
Honmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Leichtbau-Komponente (150, 112) mindestens ein von einer Eingangsöffnung zu einer Ausgangsöffnung führender Durchgangskanal (113, 114A, 114B, 115) ausgebildet ist, durch den ein fließfähiges Medium oder mindestens eine Leitung hindurchgeführt oder hindurchführbar ist.
Honmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Honmaschine (100) eine Vertikal-Honmaschine mit einer vertikal ausgerichteten Honspindel ist.