EP4182118A1 - Honwerkzeug und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Honwerkzeug und verfahren zu dessen herstellung

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Publication number
EP4182118A1
EP4182118A1 EP20753931.3A EP20753931A EP4182118A1 EP 4182118 A1 EP4182118 A1 EP 4182118A1 EP 20753931 A EP20753931 A EP 20753931A EP 4182118 A1 EP4182118 A1 EP 4182118A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tool
honing tool
spiral groove
working surface
laser
Prior art date
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Pending
Application number
EP20753931.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin RUCK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zecha Hartmetall Werkzeugfabrikation GmbH
Original Assignee
Zecha Hartmetall Werkzeugfabrikation GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zecha Hartmetall Werkzeugfabrikation GmbH filed Critical Zecha Hartmetall Werkzeugfabrikation GmbH
Publication of EP4182118A1 publication Critical patent/EP4182118A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/52—Ceramics

Definitions

  • the present invention relates generally to rotary
  • Honing tools for creating a high-precision contour of curved sealing, clamping or bearing surfaces such as spherical or conical surfaces or other convex or concave surfaces in a component in one operation.
  • the present invention relates to a method for
  • honing tools used.
  • a desired contour with a very high surface quality is to be produced in the workpiece—often in a single operation—by means of such honing or forming tools.
  • honing tools can be made of solid carbide or high-speed steel or of a Guide body with CVD thick film or a guide body with soldered cutting edges made of hard material (CVD, PCD, hard metal, CBN).
  • the honing tools can have a number of very different cutting edges.
  • a first category of honing tools includes a removing and forming tool without defined cutting edges, but with a certain surface roughness in order to machine the surface of the component without significant and defined chip removal.
  • Such honing tools produce a compacted surface by pressing on the surface and level existing roughness. Due to the loads, extremely hard cutting materials made of CBN or diamond are used here. If the contour production is not precise enough, this becomes visible on the component surface by means of grooves and traces.
  • a second category of honing tools there is at least one defined cutting edge in order to process the surface of the component by means of a defined chip removal.
  • this includes reamers with two or more cutting edges.
  • the reamers are mainly used where, due to component contours, shoulders or diameters have to match and the application is not limited to just one sealing surface. As a result, coated tools are predominantly used here.
  • Honing tools of this type move both in the longitudinal axis and in rotation. Therefore, a honed surface is usually recognizable by the cross-hatch (cross line).
  • This cross-grinding is characteristic of the honing process, which is also known as "pulling". It improves the gliding and emergency running properties, since 01 can collect in the small furrows. In addition, the roundness of the machined workpiece is significantly improved.
  • Components that are manufactured with such honing tools usually have a very small tolerance range in terms of shape and position tolerances, which is why precise adjustment of the mold is necessary.
  • honing tool i.e. in particular reamers are special honing tools within the meaning of this disclosure.
  • EP 2 868 413 B1 discloses a hard-coated cutting tool which has a defined cutting edge.
  • the defined cutting edge has a flank face and a rake face.
  • a hard coating is present on the flank face side and on the rake face side in the vicinity of the cutting edge in a cross section perpendicular to the cutting edge in a range that is less than or equal to 0.3 times the tool diameter, in the axial direction from the tip of the Tool specially trained.
  • a diamond cutting tool is known from JP 2008 229 838 A, in which a cutting plate is formed by means of ultra-short pulsed laser beams with periodic structures of 5 nm to 3000 nm in order to extend the service life of the cutting tip.
  • a method for influencing the chip flow behavior of tool surfaces in the area of cutting edges in chip-producing tools with a geometrically defined cutting edge is known from DE 197 24 319 CI.
  • the pattern can consist of a series of lines and/or dots, for example a strip or a track of lines and/or dots, which runs at a distance from the cutting edge.
  • the laser irradiation is such that remelting and possibly oxidation are produced on the surface of the substrate material, which is said to result in increased surface roughness, which has an influence on the cutting speed. Not only the flow speed but also the flow direction can be influenced by the specific direction of the markings forming the pattern.
  • WO 2012 032286 A1 describes a drilling cutting tool in which a large number of pits are formed in the cutting surface of the tool substrate and the coating also fills these pits.
  • JP 03196976 A and JP 10113878 A disclose grinding wheels with a plurality of radial fine grooves which are made in the grinding wheel, for example by means of a laser.
  • a method for laser-based generation of a structure on a cutting face of a cutting tool is known from DE 2018 102 108 B4.
  • at least one structure is formed by means of lines, with the lines being generated at a maximum distance of 400 ⁇ m with a laser beam at least in regions within a predetermined contour on at least one cutting face of the cutting tool.
  • the orientation or course of the structure-forming lines is based on a profile of at least one cutting edge of the at least one chip face.
  • JP 11156714 A shows a dressing tool that is set with diamonds.
  • a groove is formed parallel to the axis of rotation by means of laser beams or electron beams. This is intended to improve the dressing sharpness.
  • Honing tools of the type of interest here are given the desired contour to produce a contour-accurate, sharp cutting edge and shape by means of grinding or lasering.
  • a sharp cutting edge or - in the case of pure friction work surfaces - a surface that is too smooth on the tool contour is not ideal for sealing surfaces. By creating a surface that is too smooth on the component, the smallest deviations in the shape of the component lead to leaks and the component becomes unusable.
  • the present invention is therefore based on the technical problem of providing a honing tool that reduces one or more of the aforementioned deficiencies.
  • a honing tool for producing a highly precise contour of curved sealing, clamping or bearing surfaces such as spherical or conical surfaces or other convex or concave surfaces in a component, which has a tool shank that is used to hold the Honing tool is formed in a tool holder, and comprises a rotationally symmetrical guide body adjoining one end of the tool shank.
  • the guide body has a friction working surface, which allows the machining of the contour to be produced in a component, and which additionally has at least one spiral groove introduced into this friction working surface.
  • the present invention is based on the idea of improving the friction working surface previously present in such a tool, which can be designed with or without cutting edge(s), by additionally introducing at least one spiral groove in the work result in such a way that a kind of "scraping" smooths the workpiece surface along the surface contour to be produced in the workpiece. So, in particular with sealing or Valve seats a surface roughness can be achieved which, in combination with the previous form tolerance, allows the workpiece to be tight.
  • the at least one spiral groove additionally applied to the working surface of the tool does not necessarily have to be continuous. It can also have interruptions, so that one spiral groove is formed only in sections on the circumference of the working surface, ie it has interruptions.
  • the at least two spirals have the same pitch and run parallel to one another.
  • the at least two spirals have the same or different pitches, but run in opposite directions to one another.
  • Honing tools according to the invention are preferably made of the materials that are already well known in this technical field, ie solid carbide or high-speed steel.
  • the guide body consists of a hard material comprising:
  • the friction working surface of the guide body is preferably provided with a CVD thick film into which at least one spiral is introduced.
  • the guide body is provided with soldered cutting edges made of hard material such as CVD, PCD, hard metal, CBN).
  • the at least one spiral is then additionally introduced onto the surface of the functional area.
  • An embodiment according to the invention with an additional spiral in the functional or working area of the honing tool can also be useful for tools with cutting edges.
  • these tools can possibly produce poorer component surfaces compared to a reaming tool without cutting edges.
  • the friction working surface of the guide body can also be provided with polycrystalline diamond in an exemplary embodiment of a honing tool according to the invention and the at least one spiral groove can be introduced therein.
  • the shape and/or contour of the friction working surface can be of any shape, depending on the intended use.
  • the friction working surface of the guide body preferably has a (partial) spherical or conical shape.
  • Another aspect of the present invention relates to a method for producing a rotating honing tool with which a highly precise contour of curved sealing, clamping or bearing surfaces such as spherical or conical surfaces or other convex or concave surfaces in a component, in particular in a operation can be produced.
  • Such a method includes providing a honing tool, which is known per se, with a tool shank which is designed to accommodate the honing tool in a tool holder.
  • a rotationally symmetrical guide body is connected to one end of the tool shank, which has a friction working surface that allows the contour to be produced in a component to be produced with high precision.
  • at least one spiral groove is made in the friction surface of the guide body, for example by means of a laser.
  • the manufacturing process according to the invention works in principle both for honing tools with a pure friction work surface and for reamers with a defined cutting edge. For the process, it is irrelevant whether and how many cutting edges are on the tool. Contours along the circumference are to be reworked here and can be adjusted to the desired roughness. Contours and cutting edges on the face of the tools may only be able to be produced to a limited extent.
  • the at least one spiral groove is introduced with a laser factor of 0.3 kWs/mm to 16.2 kWs/mm.
  • the laser factor consists of the contact time of the laser with the guide body, the laser power used and the cutting material to be processed. The following applies:
  • Laser factor contact time [s/mm] * laser power [kW] * cutting material factor, where the following applies to exemplary embodiments: [46] laser power 13 - 17 kW;
  • a simple and effective introduction of the spiral groove is possible in an exemplary embodiment of a method according to the invention in that the laser beam is introduced tangentially along the friction working surface, the at least one spiral groove.
  • the at least one spiral is preferably produced by means of a stationarily arranged laser and simultaneously rotating and translationally moving guide body in the direction of the axis of rotation of the honing tool, with the gradient being adjusted as a function of the rate of rotation and the translational speed.
  • the gradient s is preferably 0.8 ⁇ m to 200 ⁇ m and in particular in the ranges otherwise disclosed herein.
  • the depth and/or pitch of the spiral is changed along the friction work surface contour.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a first workpiece with a dome-shaped valve seat surface, which is to be produced with high precision using a honing tool according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of another workpiece with a conical seat surface that is to be produced with high precision using a honing tool according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic side view of a tool according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic detailed view of the tip of the tool according to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a side view of a tool according to the invention with a part-spherical machining surface
  • FIG. 6 shows a detail of the tip of the tool according to Fig. 5,
  • FIG. 7 shows a schematic side view of another tool according to the invention with defined tool cutting edges and an additional spiral applied in this area according to the present invention
  • FIG. 8 is a schematic plan view of an apparatus for making a spiral groove on a honing tool
  • FIG. 9 shows a further schematic side view of the device according to FIG. 8.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a component 2 with a highly precisely ground valve surface 4, which in the present case corresponds to part of a spherical surface.
  • a highly precisely ground valve surface 4 which in the present case corresponds to part of a spherical surface.
  • Such surfaces and contours are particularly necessary in engine construction.
  • FIG. 6 Another exemplary embodiment of a component 3 with a high-precision manufactured cone seat surface 5 is shown in FIG.
  • FIG. 10 An exemplary schematic side view of such a honing tool is shown in FIG.
  • This honing tool 10 includes a tool shank 12 to which a guide body 14 is connected.
  • the entire honing tool 10 is designed to rotate about the X axis of rotation.
  • the guide body 14 comprises a cylindrical guide part 18 and a truncated cone-shaped part 16 at the tip.
  • the guide body 14 with the partial surfaces 16, 18 is provided with a coating 20 here.
  • the coating 20 can be, for example, a CVD thick film or a diamond coating of conventional construction.
  • FIG. 4 An addition to such a known tool 10 according to the present invention is shown in FIG. 4 schematically.
  • the guide body 14 and the friction surfaces 16, 18 provided thereon are provided with at least one spiral groove 16, which has a pitch s.
  • the gradient is chosen to be lower the fewer structures are desired on a later component and the smaller the laser beam diameter was selected at the focus point on the machine. For tools with a coarse surface structure, the gradient is selected to be larger.
  • slopes of ⁇ 50 pm are used for Ra values down to 0.2 pm.
  • gradients of less than 50 ⁇ m are preferably used for a laser beam diameter of up to 0.2 mm.
  • a larger laser beam diameter allows a larger pitch.
  • the width and depth of a spiral groove is determined by the laser beam diameter and the radial infeed by the tangential positioning on the diameter of the friction surface.
  • the selection of the corresponding values is preferably based on the smallest inner radius on the tool contour, but is usually at least 0.03 mm.
  • the cutting material on the tool is also relevant. Highly absorbing materials, such as PCD with a low binder content, are processed with a smaller diameter in order to focus the energy density and to be able to remove the material better. In the case of tools with a coarse surface structure, the pitch and thus also the width is selected to be larger.
  • Ra values of up to 0.2 pm for example, widths of less than 50 pm are usually specified. The depth then results from the selected width and the laser diameter.
  • the spiral groove 16 extends both over the planar cylindrical part 18 and into the truncated cone-shaped tip 16 and is introduced into the coating 18 by means of a laser.
  • the spiral 16 does not have to extend continuously over the guide body or the friction surface; the spiral groove 16 can also only partially extend over the friction surface.
  • the spiral groove 16 is repeatedly interrupted; in the present case, the coating would therefore not be deepened in small sections by the spiral groove.
  • one or more spiral grooves can be present in parallel or in opposite directions to one another. Furthermore, the width and/or depth of the spiral grooves 16 can change over their direction of extension in the direction of the X axis. Furthermore, it is also possible not always to keep the gradient constant, but to increase or decrease it in certain areas.
  • FIG. 5 shows a VHM mounted point 10 known per se, which is provided with a spiral as shown in FIG.
  • the solid carbide mounted point 10 comprises a tool shank 12 and an adjoining guide body 13.
  • the tool shank 12 has a diameter d2 which is larger than the diameter di of the guide body 13 provided conical training, which has an angle a, here 60 °.
  • the exemplary mounted point 10 has an overall length h.
  • the actual guide body 13 has a length I2.
  • the tip of the guide body 13 has a friction working surface 20 extending to the flattened tip with a length h.
  • the friction working surface 20 has a cylindrical area and an adjoining dome-shaped area with the radius n.
  • a flat surface with the diameter d3 is again provided at the tip.
  • the design of the tip of this VHM mounted point 10 can be seen even better in FIG.
  • FIG. 7 shows a schematic side view of another honing tool 50 according to the invention, which is equipped with defined cutting surfaces in the usual way.
  • the entire guide body 52 extends over a length 11 ⁇ 2 2.
  • the cutting edges 54 extend over a smaller length 11 ⁇ 2 3.
  • This friction surface area with cutting edges has a diameter d s i .
  • This diameter d si is smaller than the diameter of the tool shank d s 2 .
  • a spiral groove 54 is again introduced by means of a laser on the friction working surface. That is, the spiral groove 54 extends over the length 1 S 3 to the flattened tip. Again, the spiral groove 54 may have the same dimensions as previously discussed.
  • FIG. 8 Another exemplary embodiment of a honing tool according to the invention in the form of a mounted point 100 is shown in FIG. 8; here the grinding pin 100 is only provided with a cylindrical friction working surface 115 . Again, the friction working surface has a spiral groove with the aforementioned dimensions.
  • a honing tool 10 as described above, is clamped on the tool shank 12 in a rotatable clamping receptacle 300.
  • a laser 200 generates a laser beam 205 which is aligned tangentially to the friction working surface 20 such that a working point 210 is generated on the friction working surface 20 will.
  • the laser factor is between 0.3 and 16.2 kWs/mm.
  • Machining is carried out as follows on the exemplary tool with a friction surface made of CVD thick film:
  • the contact time of the laser beam per mm can be determined via the unwound length of the spiral along the friction surface, i.e. tool circumference * processing length, and the feed rate. This should be between 0.025 s/mm and 1.0 s/mm.
  • CVD layers and CVD should preferably be processed with contact times of less than 0.1s.
  • the necessary contact time decreases the smaller the laser diameter is selected. If the contact time is too long, the material is damaged and the material abrasion is too great. If the contact time is too short, the material removal is not sufficient. In the tool shown, the contact time is 0.037s/mm
  • the laser power for a finish process in CVD is 0.83 at 16kW laser power.
  • ns laser nanosecond laser
  • It is an ND YAG solid-state laser as standard in the Rollomatic Lasersmart 500 machine type in the production batch from 2014.
  • the machine is controlled via the machine's own “LaserSmart” control system.
  • the "LaserSuite” PC application also from Rollomatic, is used to manage and set the laser parameters.
  • the tool is clamped in the workhead of the machine, consisting of a rotating C-axis with a corresponding clamping fixture. After probing the tool with a ball and surface probe to record the length and diameter, processing begins. Depending on the machine, concentricity and dimensional accuracy of ⁇ 0.003 pm can also be reliably reproduced.
  • the tool is positioned via the corresponding axes and the laser optics open to start processing.
  • the C-axis starts rotating counter-clockwise.
  • the emerging laser beam is now guided tangentially along the tool contour.
  • the cylindrical diameter surfaces are machined first, preferably starting at the tip of the tool in the direction of the shank.
  • the convex or concave surfaces are processed.
  • the processing sequence has primarily an economic background.
  • settings must be made as with other machines so that temperature fluctuations and other external influences can be eliminated.
  • the maximum removal for processing the surface and applying the spiral is 8pm, for example.
  • the diameter is therefore set first to reduce rejects.
  • the diameter is easier to measure than a radius or cone contour.
  • the contour is then machined, which can be machined without any further effort thanks to the very good positioning and repeat accuracy of the machine.
  • Vibratory grinding in this case rounding off a cutting edge in order to remove loose deposits that are still attached as a result of the laser process and thus obtain a clean and even contour.
  • Honing tools 10, 50, 100 of the type described above are usually used for the production of high-precision surfaces in components. However, the production results are better than with previously known honing tools, which can be attributed to the at least one spiral groove 16 additionally introduced.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Honwerkzeug (10; 50) zum Erzeugen einer hochgenauen Kontur von gekrümmten Dicht-, Klemm- oder Lagerflächen wie z.B. Kugel- oder Kegelflächen (4; 5) oder sonstigen konvexen oder konkaven Flächen in einem Bauteil (2; 3). Ein erfindungsgemäßes Honwerkzeug umfasst einen Werkzeugschaft (12), der zum Aufnehmen des Honwerkzeugs (10) in einer Werkzeugaufnahme ausgebildet ist. An einem Ende des Werkzeugschaftes (12) schließt sich ein rotationssymmetrischer Führungskörper (13) an, der eine Reibarbeitsfläche (20) aufweist, die das Bearbeiten der in einem Bauteil (2; 3) herzustellenden Kontur (4; 5) erlaubt. Auf dieser Reibarbeitsfläche (20) ist zusätzlich eine Spiralnut (16) eingebracht, z.B. mittels Laser.

Description

Beschreibung
HONWERKZEUG UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG
Technisches Gebiet
[01] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein rotierende
Honwerkzeuge zum Erzeugen einer hochgenauen Kontur von gekrümmten Dicht- , Klemm- oder Lagerflächen wie z.B. Kugel- oder Kegelflächen oder sonstigen konvexen oder konkaven Flächen in einem Bauteil in einem Arbeitsgang.
[02] Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung solcher Honwerkzeuge.
Hintergrund
[03] Insbesondere in der Werkzeugmaschinen- und Automobilindustrie sowie der Motorenfertigung ist die Herstellung von räumlich gekrümmten, hochgenauen Oberflächen in Bauteilen notwendig. So müssen oftmals für Dicht-, Klemm- oder Lagerflächen wie z.B. in Verbrennungsmotoren oder Ventilen räumlich gekrümmte Oberflächen geschaffen werden, die zumindest eine der nachfolgenden Oberflächeneigenschaften haben:
[04] a) Oberflächenrauheit der Bauteile Ra < 0.5 gm
[05] b) maximale Profilabweichungen Bauteil Pt = max. 3 gm
[06] c) maximale Profilabweichungen Werkzeug Pt = max. 1.6
|im
[07] Zur Herstellung derartig hochgenauer Oberflächen werden
Honwerkzeuge eingesetzt. Mittels solcher Hon- oder Formwerkzeuge soll - oftmals in einem einzigen Arbeitsgang - eine gewünschte Kontur mit sehr hohen Oberflächengüte in dem Werkstück erzeugt werden. Honwerkzeuge können standardmäßig aus Vollhartmetall oder Schnellarbeitsstahl oder aus einem Führungskörper mit CVD-Dickfilm oder einem Führungskörper mit angelöteten Schneiden aus Hartstoff (CVD, PKD, Hartmetall, CBN) bestehen. Ebenso können die Honwerkzeuge eine Anzahl unterschiedlichster Schneiden aufweisen.
[08] Eine erste Kategorie von Honwerkzeugen umfasst ein abtragendes und umformendes Werkzeug ohne definierte Schneiden, aber mit bestimmter Oberflächenrauheit, um die Oberfläche am Bauteil ohne nennenswerten und definierten Spanabtrag zu bearbeiten. Derartige Honwerkzeuge erzeugen durch das Drücken auf die Oberfläche eine verdichtete Oberfläche und ebnen bestehende Rauheiten ein. Durch die Belastungen kommen hier vor allem hochharte Schneidstoffe aus CBN oder Diamant zum Einsatz. Ist die Konturherstellung nicht genau genug wird dies auf der Bauteil Oberfläche anhand von Riefen und Spuren sichtbar.
[09] Bei einer zweiten Kategorie von Honwerkzeugen ist wenigstens eine definierte Schneide vorhanden, um die Oberfläche am Bauteil durch einen definierten Spanabtrag zu bearbeiten. Insbesondere fallen hierunter Reibahlen mit zwei und mehr Schneiden. Die Reibahlen kommen überwiegend dort zum Einsatz wo aufgrund von Bauteilkonturen noch Absätze oder Durchmesser zueinander stimmen müssen und sich die Anwendung nicht nur auf eine Dichtfläche begrenzt. Dadurch kommen hier überwiegend beschichtete Werkzeuge zum Einsatz.
[10] Derartige Honwerkzeuge bewegen sich sowohl in der Längsachse als auch drehend. Daher ist eine gehonte Fläche meist am Kreuzschliff (Kreuzstrich) erkennbar. Dieser Kreuzschliff ist charakteristisch für das Bearbeitungsverfahren des Honens, das auch als „Ziehschleifen“ bezeichnet wird. Er verbessert die Gleit- und Notlaufeigenschaft, da sich in den kleinen Furchen 01 sammeln kann. Außerdem wird die Rundheit des bearbeiteten Werkstücks deutlich verbessert. [11] Bauteile, die mit solchen Honwerkzeugen hergestellt werden, besitzen in der Regel ein sehr geringes Toleranzband hinsichtlich Form- und Lagetoleranzen, weshalb eine präzise Abstimmung des Formwerkzeugs notwendig ist. Im Falle von Dichtsitzen, Klemm- oder Lagerflächen, welche sich über Radienformen, Formschrägen oder sonstigen konvexen oder konkaven Flächen an Bauteilen abbilden können, sind sowohl eine extrem gute Oberflächengüte als auch hochgenaue Form- und Lagetoleranzen für die spätere Funktion des mittels des Formwerkzeuges herzustellenden Bauteils notwendig.
[12] Im vorliegenden Fall sind unter dem Begriff Honwerkzeug beide genannten Kategorien von Werkzeugen zu subsumieren, d.h. insbesondere sind Reibahlen besondere Honwerkzeugen im Sinne dieser Offenbarung.
[13] Aus der EP 2 868 413 Bl ist ein hartbeschichtetes Schneidwerkzeug bekannt, das eine definierte Schneidkante aufweist. Die definierte Schneidkante besitzt eine Flankenfläche und eine Spanfläche. Eine harte Beschichtung ist auf der Seite der Flankenfläche und auf der Seite der Spanfläche in der Nähe der Schneidkante in einen Querschnitt senkrecht zu der Schneidkante in einem Bereich, der kleiner oder gleich 0,3x der Werkzeugdurchmesser ist, in der axialen Richtung von der Spitze des Werkzeugs speziell ausgebildet.
[14] Aus der JP 2008 229 838 A ist ein Diamantschneidwerkzeug bekannt, bei dem eine Schneidplatte mittels ultrakurzer gepulster Laserstrahlen mit periodischen Strukturen von 5 nm bis 3000 nm ausgebildet ist, um die Standzeit der Schneidspitze zu verlängern.
[15] Ein Verfahren zur Beeinflussung des Spanflussverhaltens von Werkzeugflächen im Bereich von Schneidkanten bei spanerzeugenden Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide ist aus der DE 197 24 319 CI bekannt. Hier wird mit Hilfe einer Laserbestrahlung zumindest die Spanflächen im geringen Abstand zur Schneidkante mit einem die Oberflächenstruktur verändernden Muster versehen. Das Muster kann nach einer Ausgestaltung aus einer Reihe von Strichen und/oder Punkten bestehen, etwa aus einem Streifen oder einer Spur aus Strichen und/oder Punkten, welcher im Abstand zur Schneidkante verläuft. Die Laserbestrahlung ist derart, dass im Bereich des Substratmaterials oberflächlich eine Umschmelzung und möglicherweise eine Oxidation erzeugt werden, wodurch eine erhöhte Oberflächenrauheit entstehen soll, die Einfluss auf die Spangeschwindigkeit hat. Durch die bestimmte Richtungsgebung der das Muster bildenden Markierungen lässt sich nicht nur die Fließgeschwindigkeit sondern auch die Fließrichtung beeinflussen.
[16] In der WO 2012 032286 Al ist ein Bohrschneidwerkzeug beschrieben, bei dem in der Schneidfläche des Werkzeugsubstrats, in dem eine Vielzahl von Grübchen ausgebildet sind und die Beschichtung auch diese Grübchen ausfüllt.
[17] Aus der JP 03196976 A und JP 10113878 A sind Schleifscheiben mit mehreren radialen feinen Nuten bekannt, die beispielsweise mittels Laser in die Schleifscheibe eingebracht werden.
[18] Ein Verfahren zur laserbasierten Erzeugung einer Struktur an einer Spanfläche eines spanenden Werkzeugs ist aus der DE 2018 102 108 B4 bekannt. Hier wird mindestens eine Struktur mittels Linien gebildet, wobei die Linien in einem Abstand von maximal 400 pm mit einem Laserstrahl zumindest bereichsweise innerhalb einer vorgegebenen Kontur an mindestens einer Spanfläche des spanenden Werkzeugs erzeugt werden. Die Ausrichtung oder der Verlauf der strukturbildenden Linien orientiert sich an einem Profil mindestens einer Schneidkante der mindestens einen Spanfläche.
[19] Schließlich zeigt die JP 11156714 A ein Abrichtwerkzeug, das mit Diamanten besetzt ist. Mittels Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen wird eine Nut parallel zur Drehachse ausgebildet. Damit soll die Abrichtschärfe verbessert werden. [20] Honwerkzeuge der hier interessierenden Art erhalten mittels Schleifen oder Lasern die gewünschte Kontur zur Erzeugung einer konturgenauen scharfen Schneide und Form. Es wurde aber festgestellt, dass eine scharfe Schneidkante oder - bei reinen Reibarbeitsflächen - eine zu glatte Oberfläche an der Werkzeugkontur bei Dichtflächen nicht ideal ist. Durch das Erzeugen einer zu glatten Oberfläche am Bauteil kommt es durch kleinste Abweichungen in der Bauteilform zu Undichtigkeiten und das Bauteil wird unbrauchbar.
[21] Der vorliegenden Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde, ein Honwerkzeug bereit zu stellen, das einen oder mehrere der zuvor genannten Mängel verringert.
Zusammenfassung der Offenbarung
[22] Dieses technische Problem wird durch ein Honwerkzeug zum Erzeugen einer hochgenauen Kontur von gekrümmten Dicht-, Klemm- oder Lagerflächen wie z.B. Kugel- oder Kegelflächen oder sonstigen konvexen oder konkaven Flächen in einem Bauteil, gelöst, das einen Werkzeugschaft, der zum Aufnehmen des Honwerkzeuges in einer Werkzeugaufnahme ausgebildet ist, und einen sich an einem Ende des Werkzeugschaftes anschließenden, rotationssymmetrischen Führungskörper umfasst. Der Führungskörper weist eine Reibarbeitsfläche auf, die das Bearbeiten der in einem Bauteil herzustellenden Kontur erlaubt, und die zusätzlich wenigstens eine in diese Reibarbeitsfläche eingebrachte Spiralnut aufweist.
[23] Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die bei einem solchen Werkzeug bisher vorhandene Reibarbeitsfläche, die mit oder ohne Schneide(n) ausgebildet sein kann, durch zusätzliches Einbringen wenigstens einer Spiralnut im Arbeitsergebnis dahingehend zu verbessern, dass eine Art „Schaben“ entlang der herzustellenden Oberflächenkontur im Werkstück eine Glättung der Werkstückoberfläche bewirkt. So kann insbesondere bei Dicht- oder Ventilsitzen eine Oberflächenrauheit erzielt werden, die in Kombination mit der bisherigen Formtoleranz eine Dichtheit des Werkstücks ermöglicht.
[24] Anzumerken ist, dass die zusätzlich auf die Arbeitsfläche des Werkzeugs aufgebrachte, wenigstens eine Spiralnut nicht zwingend durchgehend sein muss. Sie kann auch Unterbrechungen aufweisen, so dass die eine Spiralnut am Umfang der Arbeitsfläche nur abschnittsweise ausgebildet ist, also Unterbrechungen aufweist.
[25] Bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs weist die Reibarbeitsfläche des Führungskörpers eine Rauheit Ra = 0,02 pm bis 0,4 pm bei Pt < 3,2 pm auf.
[26] Die Spiralnut kann beispielsweise eine Tiefe t = 0,3 pm bis 8 pm, insbesondere 0,8 pm bis 2,5 pm, und eine Spiralbreite b = 2 pm bis 40 pm, insbesondere 5 pm bis 15 pm aufweisen.
[27] Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs hat die wenigstens eine Spirale gegenüber der Rotationsachse des Honwerkzeugs eine Steigung s = 0,8 pm bis 200 pm, insbesondere 5 pm bis 50 pm.
[28] Insbesondere kann es vorteilhaft sein, dass bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs wenigstens zwei Spiralnuten in Richtung der Rotationsachse zueinander versetzt angeordnet sind.
[29] Vorzugsweise haben die wenigstens zwei Spiralen die gleiche Steigung und verlaufen parallel zueinander.
[30] Alternativ weisen die wenigstens zwei Spiralen die gleiche oder unterschiedliche Steigungen auf, verlaufen aber gegensätzlich zueinander.
[31] Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs ändert sich die Tiefe und/oder Steigung der Spiralnut in Rotationsachsenrichtung gesehen entlang der Reibarbeitsflächenkontur. [32] Erfindungsgemäße Honwerkzeuge bestehen vorzugsweise aus den Materialen, wie sie bereits hinlänglich in diesem technischen Gebiet bekannt sind, also Vollhartmetall oder Schnellarbeitsstahl.
[33] Bei einer beispielhaften Ausführungsform besteht der Führungskörper aus einem Hartstoff umfassend:
[34] a) Vollhartmetall mit einem 7 - 12 pm CVD-Dickfilm
[35] b) Vollhartmetall mit aufgelötetem CBN
[36] c) Vollhartmetall mit aufgelötetem PKD
[37] d) Vollhartmetall mit aufgelötetem CVD
[38] Vorzugsweise ist die Reibarbeitsfläche des Führungskörpers mit einem CVD-Dickfilm versehen, in den die wenigstes eine Spirale eingebracht ist. Alternativ ist der Führungskörper mit angelöteten Schneiden aus Hartstoff wie z.B. CVD, PKD, Hartmetall, CBN) versehen. Auch hier ist dann die mindestens eine Spirale zusätzlich auf die Oberfläche des Funktionsbereichs eingebracht.
[39] Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung mit zusätzlicher Spirale im Funktions- oder Arbeitsbereich des Honwerkzeugs kann auch bei Werkzeugen mit Schneiden sinnvoll sein. Aber aufgrund anwendungstechnischer Gegebenheiten und der Eigenschaften bei der Spanbildung können diese Werkzeuge möglicherweise schlechtere Bauteil oberflächen im Vergleich zu einem Reibwerkzeug ohne Schneiden erzeugen.
[40] Wie bei bisherigen Honwerkzeugen bekannt, kann auch bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeuges die Reibarbeitsfläche des Führungskörpers mit polykristallinem Diamant versehen sein und hierin die wenigstens eine Spiralnut eingebracht sein.
[41] Abschließend ist hervorzuheben, dass die Form und/oder Kontur der Reibarbeitsfläche je nach Verwendungszweck beliebig geformt sein kann. Vorzugseise hat die Reibarbeitsfläche des Führungskörpers eine (Teil-)Kugel- oder Kegelform. [42] Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines rotierenden Honwerkzeugs mit dem eine hochgenaue Kontur von gekrümmten Dicht-, Klemm- oder Lagerflächen wie z.B. Kugel- oder Kegelflächen oder sonstigen konvexen oder konkaven Flächen in einem Bauteil, insbesondere in einem Arbeitsgang herstellbar ist. Ein derartiges Verfahren umfasst das Bereitstellen eines an sich bekannten Honwerkzeugs mit einem Werkzeugschaft, der zum Aufnehmen des Honwerkzeugs in einer Werkzeugaufnahme ausgebildet ist. An dem einen Ende des Werkzeugschaftes schließt sich ein rotationssymmetrischer Führungskörper an, der eine Reibarbeitsfläche aufweist, die es erlaubt, die in einem Bauteil herzustellende Kontur hochgenau herzustellen. Erfmdungsgemäß wird wenigstens eine Spiralnut in die Reib arb eit sfläche des Führungskörpers eingebracht, beispielsweise mittels Laser.
[43] Das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren funktioniert grundsätzlich sowohl bei den Honwerkzeugen mit reiner Reib arb eit sfläche wie auch bei Reibahlen mit definierter Schneide. Für den Ablauf spielt es keine Rolle ob und wieviel Schneiden sich am Werkzeug befinden. Konturen entlang des Umfangs sind hier nachzuarbeiten und können auf gewünschte Rauheiten eingestellt werden. Konturen und Schneiden an der Stirn der Werkzeuge können eventuell nur bedingt erzeugt werden.
[44] Bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Einbringen der wenigstens einen Spiralnut mit einem Laserfaktor von 0,3 kWs/mm bis 16.2 kWs/mm. Der Laserfaktor setzt sich hierbei aus der Kontaktzeit des Lasers mit dem Führungskörper, der verwendeten Laserleistung und des zu bearbeitenden Schneidstoffs zusammen. Es gilt:
[45] Laserfaktor = Kontaktzeit [s/mm] * Laserleistung [kW] * Schneidstofffaktor, wobei für beispielhafte Ausführungsformen gilt: [46] Laserleistung 13 - 17 kW;
[47] Kontaktzeit 0,025- 1 s/mm;
[48] Schneidstofffaktor 0,7- 1,1,
[49] insbesondere z.B. für PKD = 0,8 - 1,1, für CVD = 0.97, für CBN = 1,05, für CVD-Dickfilm = 1.
[50] Ein einfaches und effektives Einbringen der Spiralnut ist bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, indem der Laserstrahl tangential entlang der Reibarbeitsfläche die wenigstens einen Spiralnut eingebracht wird.
[51] Vorzugsweise wird die wenigstens eine Spirale mittels ortsfest angeordnetem Laser und sich gleichzeitig drehendem und in Richtung der Rotationsachse des Honwerkzeuges translatorisch bewegendem Führungskörper erzeugt, wobei die Steigung in Abhängigkeit der Drehrate und der translatorischen Geschwindigkeit eingestellt wird. Vorzugsweise beträgt die Steigung s = 0,8 pm bis 200 pm und insbesondere in den hierin anderweitig offenbarten Bereichen.
[52] Je nach gewünschter Rauheit und Oberflächengüte am Bauteil wird bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Tiefe und/oder Steigung der Spirale in Rotationsachsenrichtung gesehen entlang der Reibarbeitsflächenkontur verändert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[53] Im Folgenden sind beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
[54] Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Werkstücks mit kalottenförmiger Ventilsitzfläche, die mittels eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs hochgenau herzustellen ist, [55] Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Werkstücks mit einer Kegel sitzfläche, die mittels eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs hochgenau herzustellen ist,
[56] Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugs,
[57] Fig. 4 eine schematische Detailansicht der Spitze des Werkzeugs gemäß Fig. 3,
[58] Fig. 5 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugs mit teilkugelförmiger Bearbeitungsfläche,
[59] Fig. 6 ein Detail der Spitze des Werkzeugs gemäß Fig. 5,
[60] Fig. 7 eine schematische Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Werkzeugs mit definierten Werkzeugschneiden und in diesem Bereich aufgebrachter zusätzlicher Spirale gemäß der vorliegenden Erfindung,
[61] Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Herstellung einer Spiralnut auf einem Honwerkzeug, und
[62] Fig. 9 eine weitere schematische Seitenansicht auf die Vorrichtung nach Fig. 8.
[63]
Detaillierte Beschreibung
[64] Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bauteils 2 mit hochgenau geschliffener Ventilfläche 4, die im vorliegenden Fall einem Teil einer Kugelfläche entspricht. Derartige Oberflächen und Konturen sind insbesondere im Motorenbau notwendig.
[65] Eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Bauteils 3 mit hochgenau hergestellter Kegel sitzfläche 5 ist in der Fig. 2 gezeigt. Auch derartige, in Querschnittsansicht plane Flächen, räumlich gesehen hier kegelstumpfförmige Flächen 5 müssen je nach Anwendungsfall hochgenau bearbeitet sein. Wie bereits einleitend dargelegt, müssen derartige Flächen vorzugsweise zumindest eine der nachfolgenden Oberflächeneigenschaften haben, d.h. Oberflächenrauheit der Bauteile Ra < 0.5 pm, maximale Profilabweichungen Bauteil Pt = max. 3pm und maximale Profilabweichungen Werkzeug Pt = max. 1.6 pm.
[66] Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Flächen 4, 5 werden heutzutage mit Honwerkzeugen hergestellt, die ganz spezielle Reibflächen aufweisen, um hochgenaue Oberflächenstrukturen zu schaffen.
[67] Eine beispielhafte schematische Seitenansicht eines solchen Honwerkzeugs ist in der Fig. 3 gezeigt. Dieses Honwerkzeug 10 umfasst einen Werkzeugschaft 12, an den sich ein Führungskörper 14 anschließt. Das gesamte Honwerkzeug 10 ist so beschaffen, dass es sich um die Rotationsachse X dreht.
[68] Der Führungskörper 14 umfasst einen zylindrischen Führungsteil 18 und an der Spitze einen kegelstumpfförmigen Teil 16. Der Führungskörper 14 mit den Teilflächen 16, 18 ist hier mit einer Beschichtung 20 versehen. Die Beschichtung 20 kann beispielsweise ein CVD-Dickfilm oder eine Diamantbeschichtung üblicher Bauweise sein.
[69] Derartige Werkzeugs sind an sich bekannt, weisen allerdings das Problem auf, dass die gewünschten hochgenauen Flächen 4, 5 nur bedingt erzielbar sind.
[70] Eine Ergänzung eines solchen bekannten Werkzeugs 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 4 schematisch dargestellt. So werden der Führungskörper 14 und die darauf vorgesehenen Reibflächen 16, 18 mit wenigstens einer Spiralnut 16 versehen, die eine Steigung s aufweist. Die Steigung gegenüber der Rotationsachse des Honwerkzeugs beträgt vorzugsweise s = 0,8 pm bis 200 pm.
[71 ] Die Steigung wird umso geringer gewählt j e weniger Strukturen auf einem späteren Bauteil gewünscht sind und je geringer der Laserstrahldurchmesser am Fokuspunkt auf der Maschine gewählt wurde. Bei Werkzeugen mit grober Oberflächenstruktur wird die Steigung größer gewählt.
[72] Beispielsweise werden für Ra-Werte bis 0,2 pm Steigungen von <50 pm verwendet. Für einen Laserstrahldurchmesser bis 0,2 mm werden vorzugsweise Steigungen kleiner 50 pm verwendet. Ein größerer Laserstrahldurchmesser erlaubt eine größere Steigung.
[73] Bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs weist die Reibarbeitsfläche des Führungskörpers eine Rauheit Ra = 0,015 pm bis 0,4 pm bei Pt < 3,2 pm auf.
[74] Die Spiralnut kann beispielsweise eine Tiefe t = 0,3 pm bis 8 pm, insbesondere bis 2,5 pm und eine Spiralbreite b = 2 pm bis 40 pm, insbesondere 2,5 pm bis 25 pm aufweisen.
[75] Die Breite und Tiefe einer Spiralnut wird durch den Laserstrahldurchmesser und die radiale Zustellung durch die tangentiale Positionierung am Durchmesser der Reibfläche bestimmt. Die Auswahl der entsprechenden Werte richtet sich vorzugsweise nach dem kleinsten Innenradius an der Werkzeugkontur, beträgt aber meistens mindestens 0,03 mm.
[76] Zusätzlich ist der Schneidstoff am Werkzeug relevant. Stark absorbierende Materialien, wie z.B. PKD mit geringem Binderanteil, werden mit einem kleineren Durchmesser bearbeitet, um die Energiedichte zu fokussieren und das Material besser abtragen zu können. Bei Werkzeugen mit grober Oberflächenstruktur wird die Steigung und damit auch die Breite größer gewählt.
[77] Für Ra-Werte bis 0,2pm werden z.B. in der Regel Breiten kleiner 50pm festgelegt. Die Tiefe ergibt sich dann aufgrund der gewählten Breite und des Laserdurchmessers.
[78] Die Spiralnut 16 erstreckt sich bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl über den planen zylindrischen Teil 18 bis in die kegelstumpfförmige Spitze 16 und ist in die Beschichtung 18 mittels Laser eingebracht. [79] Es sei hier nur beispielhaft angemerkt, dass die Spirale 16 sich nicht durchgehend über den Führungskörper bzw. die Reibfläche erstrecken muss; die Spiralnut 16 kann sich auch nur abschnittsweise über die Reibfläche erstrecken. Beispielsweise ist es also möglich, dass die Spiralnut 16 immer wieder unterbrochen ist; im vorliegenden Fall wäre also damit die Beschichtung nicht durch die Spiralnut in kleinen Abschnitten vertieft.
[80] Ferner ist hervorzuheben, dass eine oder mehrere Spiralnuten parallel oder gegenläufig zueinander vorhanden sein können. Des Weiteren können sich die Spiralnuten 16 über ihre Erstreckungsrichtung in Richtung der X- Achse in ihrer Breite und/oder Tiefe verändern. Des Weiteren ist es auch möglich, die Steigung nicht immer konstant zu halten, sondern in bestimmten Bereichen zu vergrößern oder zu verkleinern.
[81] Die Fig. 5 zeigt einen an sich bekannten VHM-Schleifstift 10, der im Bereich seiner Reibarbeitsfläche 20, d.h. im Spitzenbereich, der sich über die Länge h erstreckt, mit einer Spirale gemäß der Fig. 4 versehen ist.
[82] Der VHM-Schleifstift 10 umfasst einen Werkzeugschaft 12 und einen sich daran anschließenden Führungskörper 13. Der Werkzeugschaft 12 weist einen Durchmesser d2 auf, der größer ist als der Durchmesser di des Führungskörpers 13. Als Übergang zwischen Werkzeugschaft h und Führungskörper 13 ist eine keglige Ausbildung vorgesehen, die einen Winkel a, hier 60°, aufweist. Der beispielhafte Schleifstift 10 hat eine Gesamtlänge h. Der eigentliche Führungskörper 13 hat eine Länge I2.
[83] Wie bereits zuvor angemerkt, besitzt die Spitze des Führungskörpers 13 eine Reibarbeitsfläche 20, die sich bis zur abgeplatteten Spitze mit einer Länge h erstreckt. Die Reibarbeitsfläche 20 hat einen zylinderförmigen Bereich und einen sich daran anschließenden kalottenförmigen Bereich mit dem Radius n. An der Spitze ist wiederum eine plane Fläche mit dem Durchmesser d3 vorgesehen. [84] Die Ausgestaltung der Spitze dieses VHM-Schleifstifts 10 ist noch besser in der Fig. 6 ersichtlich. Hier ist die Spiralnut 16 mit einer Steigung s = , einer Tiefe t = und einer Breite b = in die Reibarbeitsfläche 20 mittels Laser einbracht worden.
[85] Die Fig. 7 zeigt eine schematische Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Honwerkzeugs 50, das mit definierten Schneidflächen in üblicher Weise ausgestattet ist. Hier erstreckt sich der gesamte Führungskörper 52 über eine Länge 1S2. Die Schneiden 54 erstrecken sich über eine kleinere Länge 1S3. Dieser Reibflächenbereich mit Schneiden hat einen Durchmesser dsi. Dieser Durchmesser dsi ist kleiner als der Durchmesser des Werkzeugschafts dS2. Wiederum ist auf der Reibarbeitsfläche eine Spiralnut 54 mittels Laser eingebracht. Das heißt, die Spiralnut 54 erstreckt sich über die Länge 1S3 bis zur abgeplatteten Spitze. Die Spiralnut 54 kann wiederum die gleichen Abmessungen wie zuvor erläutert haben.
[86] Eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs in Form eines Schleifstifts 100 ist in der Fig. 8 gezeigt; hier ist der Schleifstift 100 lediglich mit einer zylindrischen Reibarbeitsfläche 115 versehen. Wiederum weist die Reibarbeitsfläche eine Spiralnut mit den zuvor genannten Abmessungen auf.
Gewerbliche Anwendbarkeit
[87] Anhand der in den Fig. 9 und 10 gezeigten Vorrichtung wird nun die Herstellung der Spiralnut auf einer Reibarbeitsfläche 20 eines Honwerkzeugs 10 der zuvor beschriebenen Bauart erläutert.
[88] Ein Honwerkzeug 10, wie es zuvor beschrieben wurde, wird am Werkzeugschaft 12 in eine drehbare Spannaufnahme 300 eingespannt. Ein Laser 200 erzeugt einen Laserstrahl 205, der so tangential an die Reibarbeitsfläche 20 ausgerichtet wird, dass ein Arbeitspunkt 210 auf der Reibarbeitsfläche 20 erzeugt wird. Durch gleichzeitige Drehung und translatorische Bewegung des eingespannten Honwerkzeugs 10 wird somit in der Reib arb eit sfläche eine Spiralnut 16 mit den zuvor genannten Abmessungen hergestellt. Der Laserfaktor beträgt hierbei zwischen 0,3 und 16,2 kWs/mm.
[89] Am beispielhaften Werkzeug mit einer Reibfläche aus CVD- Dickschicht erfolgt die Bearbeitung wie folgt:
[90] Anhand der geforderten Oberflächengüte von Pt < 1,6, einem radialen Aufmaß am Werkzeug von 0,02 mm und eines gewählten Laserdurchmessers von 0,055 mm wird eine notwendige Steigung von 0,010 mm errechnet. Darüber lassen sich die Maschinenparameter Drehzahl und Vorschub zur Herstellung der spiralförmigen Oberfläche ermitteln: Steigung = Vorschub/Drehzahl, hier also z.B. 0,01mm/U = 2mm/min / 200 U/min .
[91] Über die abgewickelte Länge der Spirale entlang der Reibfläche, also Werkzeugumfang*Bearbeitungslänge, und der Vorschubgeschwindigkeit lässt sich somit die Kontaktzeit des Laserstrahls je mm bestimmen. Diese sollte zwischen 0,025 s/mm und 1,0 s/mm liegen.
[92] Materialien wie PKD (mit geringem Binderanteil) und CBN benötigen Kontaktzeiten größer 0,2 s.
[93] CVD-Schichten und CVD sind vorzugsweise mit Kontaktzeiten kleiner 0,1s zu bearbeiten. Zusätzlich sinkt die notwendige Kontaktzeit je kleiner der Laserdurchmesser gewählt wurde. Wird die Kontaktzeit zu lang, wird das Material geschädigt und der Materi al ab trag ist zu groß. Bei zu kleiner Kontaktzeit ist der Material ab trag nicht ausreichend. Im gezeigten Werkzeug liegt die Kontaktzeit bei 0,037s/mm
[94] Die Laserleistung für einen Finishprozess liegt bei CVD bei einem Wert von 0,83 bei 16kW Laserleistung.
[95] Zum Einbringen der Spiralnut kann beispielsweise ein ns-Laser (Nanosekundenlaser) verwendet werden. Es handelt sich dabei um einen ND- YAG-Festkörperlaser wie er standardmäßig in dem Maschinentyp Rollomatic Lasersmart 500 in der Produktionscharge aus dem Jahr 2014 verbaut wurde.
[96] Die Maschine wird über die maschineneigene Steuerung „LaserSmart“ geregelt. Die PC Anwendung „LaserSuite“, ebenfalls von Rollomatic, dient der Verwaltung und Einstellung der Laserparameter.
[97] Das Werkzeug wird in den Workhead der Maschine, bestehend aus rotierender C-Achse mit entsprechender Spannaufnahme, eingespannt. Nach dem antasten des Werkzeugs mittels Kugel und Flächentaster zur Erfassung des Längen- und Durchmessermaßes erfolgt die Bearbeitung. Maschinenbedingt können auch Rundläufe und Formgenauigkeit von <0.003 pm prozesssicher reproduziert werden.
[98] Das Werkzeug wird nach dem einmessen über die entsprechenden Achsen positioniert und die Laseroptik öffnet, um die Bearbeitung zu starten. Die C-Achse beginnt gegen den Uhrzeigersinn zu rotieren. Der austretende Laserstrahl wird nun tangential entlang der Werkzeugkontur geführt. Dabei erfolgt in der Regel zuerst die Bearbeitung der zylindrischen Durchmesserflächen vorzugsweise beginnend an der Spitze des Werkzeuges in Richtung Schaft.
[99] In einem zweiten Schritt erfolgt die Bearbeitung der Konvexen oder konkaven Flächen. Die Reihenfolge der Bearbeitung hat in erster Linie einen wirtschaftlichen Hintergrund, beim Einrichten eines neuen Produktes auf der Maschine sind wie bei anderen Maschinen Einstellungen vorzunehmen, damit Temperaturschwankungen und sonstige äußere Einflüsse zu eliminieren sind. Der maximale Abtrag zur Bearbeitung der Oberfläche und um die Spirale aufzubringen beträgt hier z.B. 8pm. Zur Reduzierung von Ausschuss wird daher zuerst der Durchmesser eingestellt. Der Durchmesser ist einfacher zu messen als eine Radius- oder Konuskontur. Anschließend erfolgt die Bearbeitung der Kontur, die aufgrund der sehr guten Positionier- und Wiederholgenauigkeit der Maschine ohne weiteren Aufwand bearbeitet werden kann. [100] Nach Abschluss der Laserbearbeitung erfolgt ein Finishing mittels
Gleitschleifen, hier Verrunden einer Schneidkante, um lose Ablagerungen, die durch den Laserprozess noch anhaften abzulösen und somit eine saubere und gleichmäßige Kontur zu erhalten.
[101] Eine beispielhafte Arbeitsschrittfolge bei der zuvor beschriebenen
Rollomatik-Maschine ist nachfolgend widergegeben:
I
[102] Honwerkzeuge 10, 50, 100 der zuvor beschriebenen Bauart werden in üblicherweise zur Herstellung von hochgenauen Flächen in Bauteilen verwendet. Die Herstellungsergebnisse sind allerdings besser als bei bisher bekannten Honwerkzeugen, was auf die zusätzlich eingebrachte, wenigstens eine Spiralnut 16 zurückzuführen ist.

Claims

Patentansprüche
1. Honwerkzeug (10; 50) zum Erzeugen einer hochgenauen Kontur von gekrümmten Dicht-, Klemm- oder Lagerflächen wie z.B. Kugel- oder Kegelflächen (4; 5) oder sonstigen konvexen oder konkaven Flächen in einem Bauteil (2; 3), umfassend: einen Werkzeugschaft (12), der zum Aufnehmen des Honwerkzeugs (10) in einer Werkzeugaufnahme ausgebildet ist, einen sich an einem Ende des Werkzeugschaftes (12) anschließenden, rotationssymmetrischen Führungskörper (13), der eine Reib arb eit sfläche (20) aufweist, die das Bearbeiten der in einem Bauteil (2; 3) herzustellenden Kontur (4; 5) erlaubt und die zusätzlich wenigstens eine auf dieser Reib arb eit sfläche (20) eingebrachte Spiralnut (16) aufweist.
2. Honwerkzeug (10; 50) nach Anspruch 1, bei dem die Reibarbeitsfläche (20) des Führungskörpers (13) eine Rauheit Ra = 0,015 pm bis 0,4 pm bei Pt < 3,2 pm aufweist und die Spiralnut eine Tiefe von 0,3 pm bis 8 pm und/oder eine Breite von 2 pm bis 40 pm hat.
3. Honwerkzeug (10; 50) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die wenigstens eine Spiralnut (16) gegenüber der Rotationsachse (X) des Honwerkzeugs (10; 50) eine Steigung (s) von 0,8 pm bis 200 pm hat.
4. Honwerkzeug (10; 50) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem wenigstens zwei Spiralnuten in Richtung der Rotationsachse (X) zueinander versetzt angeordnet sind.
5. Honwerkzeug (10; 50) nach Anspruch 4, bei dem die wenigstens zwei Spiralnuten die gleiche Steigung aufweisen und parallel zueinander verlaufen.
6. Honwerkzeug (10; 50) nach Anspruch 4, bei dem die wenigstens zwei Spiralnuten die gleiche Steigung aufweisen und gegensätzlich zueinander verlaufen.
7. Honwerkzeug (10; 50) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Tiefe (t) und/oder Steigung (s) der Spiralnut (16) sich in Richtung der Rotationsachse (X) gesehen entlang der Reibarbeitsflächenkontur (20) ändert
8. Honwerkzeug (10; 50) nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem die Reibarbeitsfläche (20) des Führungskörpers (13) aus einem CVD- Dickfilm (18) gebildet ist, in den die wenigstes eine Spiralnut (16) eingebracht ist.
9. Honwerkzeug (10; 50) nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem die Reibarbeitsfläche (20) des Führungskörpers (13) mit polykristallinem Diamant versehen ist, in den die wenigstens eine Spiralnut (16) eingebracht ist.
10. Verfahren zum Herstellen eins rotierenden Honwerkzeugs (10; 50) mit dem eine hochgenaue Kontur von gekrümmten Dicht-, Klemm- oder Lagerflächen wie z.B. Kugel- oder Kegelflächen (4; 5) oder sonstigen konvexen oder konkaven Flächen in einem Bauteil (2; 3) insbesondere in einem Arbeitsgang herstellbar ist, umfassend:
Bereitstellen eines Honwerkzeugs (10; 50) mit einem Werkzeugschaft (12), der zum Aufnehmen des Honwerkzeugs (10; 50) in einer Werkzeugaufnahme ausgebildet ist, und einen sich an einem Ende des Werkzeugschaftes (10) anschließenden, rotationssymmetrischen Führungskörper (13) aufweist, wobei der Führungskörper eine Reibarbeitsfläche (20) aufweist, die es erlaubt, die in einem Bauteil (2; 3) herzustellende Kontur (4; 5) herzustellen, und
Einbringen wenigstens einer Spiralnut (16) in die Reibarbeitsfläche (20) des Führungskörpers (13).
11. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die wenigstens eine Spiralnut (16) mittels Laser eingebracht wird, insbesondere mit einem Laserfaktor 0,3 kWs/mm bis 16.2 kWs/mm, wobei gilt:
Laserfaktor = Kontaktzeit[s/mm] * Laserleistung [kW] * Schneidstofffaktor.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Laserstrahl tangential entlang der Reibarbeitsfläche die wenigstens eine Spiralnut (16) mittels Laser eingebracht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem die wenigstens eine Spiralnut (16) mittels ortsfest angeordnetem Laser (200) und sich gleichzeitig drehendem und in Richtung der Rotationsachse (X) des Honwerkzeugs (10; 50) translatorisch bewegendem Führungskörper (13) eine Steigung (s) 5 pm bis 200 pm erhält.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 13-15, bei dem wenigstens zwei Spiralnuten in Richtung der Rotationsachse (X) zueinander versetzt angeordnet eingebracht werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-14, bei dem die Tiefe (t) und/oder Steigung (s) der Spiralnut (16) sich in Rotationsachsenrichtung gesehen entlang der Reibflächenkontur (20) verändert wird.
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