PL232104B1 - Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów. Wynalazek ma zastosowanie przy honowaniu cylindrów głowic silnikowych na przemysłową skalę.

Z powszechnej wiadomości znany jest proces honowania głowic silnikowych, który służy do polepszania charakterystyki pracy silników, wydłużenia ich bezawaryjnej pracy, polepszania parametrów ciernych, poprzez wykonywanie mikro-nacięć o linii śrubowej. Znane są urządzenia do wykonywania tego procesu technologicznego, w postaci głowic honujących lub inaczej: wygładzających. Głowice takie wyposażane są w co najmniej dwa elementy cierne mocowane dookólnie na obrotowym trzpieniu przesuwanym także w kierunku tam i z powrotem liniowo, przy czym elementy cierne są wysuwane z głowicy w kierunku powierzchni gładzonej i stykając się z nią bądź to usuwają błędy kształtu, bądź kształtują przestrzennie w sposób równomierny ale głęboki tą powierzchnię, bądź nacinają, albo końcowo polerują ją. Najczęściej dla wykonania poszczególnych wymienionych uprzednio celów, elementy cierne wymienia się w zależności od wykonywanej operacji, ponieważ zasadniczo nie ma obecnie technologii, w której możliwe jest wykonywanie wszystkich tych operacji jednym zestawem osełek. Znane są ulepszenia, w których stosuje się kilkustopniową obróbkę przy wykorzystaniu jednej głowicy, jednak zawierającej oddzielne grupy elementów ciernych. Najczęściej grupuje się je w dwa zbiory, które wysuwają się niezależnie od siebie, jednak wysuw każdego zbioru, niezależnie ile elementów ciernych w nim się znajduje, odbywa się symultanicznie, tzn. wszystkie elementy cierne zgrupowane w tym zbiorze wysuwają się o tą samą wartość względem osi głowicy. Należy dodać, że wysuw taki jest realizowany dość nieprecyzyjnie, ponieważ wykorzystuje się popychacz w postaci stożka rozporowego rozpierającego wszystkie wysuwane elementy, co nie uwzględnia nierównomiernego zużycia poszczególnych elementów, pomimo że wysuw taki może osiągać wartość nawet do 0,8 cm. Brak uwzględnienia zużycia skutkuje to w konsekwencji różną siłą docisku elementu ciernego do powierzchni, a to prowadzi do znacznych różnic w jej kształtowaniu w zależności od konkretnego elementu roboczego.

Stąd z innych wykonań dla zniwelowania takiej wady, zmieniono sposób wysuwania elementów ciernych z mechanicznego na elektromechaniczny, w którym wysuw elementu ciernego jest realizowany popychaczem odkształcanym na skutek przyłożonego napięcia prądowego. Taki sposób wykorzystuje właściwości piezoelektryka, który stanowi popychacz. Wysuw elementu ciernego dzięki liniowemu odkształceniu piezoelektryka ma z kolei inną wadę, a mianowicie ze względu na dość ograniczoną ilość miejsca wewnątrz głowicy obrotowej, a także przy konieczności zastosowania kilku takich struktur, ich wielkość pozwala na maksymalne wzdłużne odkształcenie o wartości 0,05 cm. Przy takiej możliwości wysunięcia elementu ciernego połączonego z popychaczem niedogodnością staje się potrzeba często następujących po sobie wymian elementu ciernego, gdyż interwał czasowy pomiędzy wymianami wystarcza jedynie na obróbkę z małymi naddatkami, co jest niewystarczające dla przemysłowego honowania większej ilości cylindrów. Nawet jednak w chwili, gdy częste wymiany są wykonywane, to obróbka wewnętrzna struktur nie będących walcem jest zasadniczo niemożliwa, gdyż po lekkim zużyciu elementu ciernego zakres wysuwu nie pozwala czasem nawet na osiągnięcie powierzchni obrabianej.

Niezależnie od wybranej znanej technologii zapewniającej wysuw, niedogodnością w każdej z nich jest wydaje się brak możliwości prowadzenia w sposób konsekwentny jednego śladu nacięcia śrubowego w chwili, gdy zasadnym jest uzyskanie innej chropowatości powierzchni obrabianej na różnej wysokości cylindra. Powodem jest bądź konieczność wymiany materiału ciernego, bądź nieprecyzyjne sterowanie wysuwem w znanych sposobach honowania, bądź niewystarczający wartością wysuw ku powierzchni obrabianej.

Wskazane powyżej procesy honowania można dla poszczególnych opisanych przypadków wskazać w przykładowych dokumentach urzędowych, jakimi są opisy patentowe. Ze zgłoszenia polskiego o numerze 288214 poprzez konstrukcję znany jest sposób prowadzenia procesu honowania taki, że są prowadzone jedną głowicą bez wymiany elementów ciernych dwa podprocesy honowania, każdy inną grupą osełek przemieszczanych dzięki sile odśrodkowej generowanej podczas obrotu także poprzez sprężyny śrubowe, na których to pośrednio są osadzone osełki.

Ze zgłoszenia polskiego o numerze 290311 poprzez konstrukcję znany jest sposób prowadzenia procesu honowania taki, że rozpieranie prowadzone jest wymiennym wsuwanym w rdzeń klinem posiadającym stożkowe ścięcia oraz przewężenia, dzięki którym prostopadle do płaszczyzny obrabianej przenoszona jest siła napierająca na kołki, które popychają segmenty zawierające elementy cierne osełkowe. Klin przemieszczając się w osi cylindra na przemian dociska po kilka osełek danego rodzaju do powierzchni obrabianej, bądź zmniejsza siłę naporu tych wybranych osełek, a dociska inną grupę.

PL 232 104 B1

Z patentu polskiego o numerze PL 181665 znane jest z kolei, że wpływ na siłę docisku osełek wykonywanych standardowo można zapewnić dzięki szczególnej metodzie przenoszenia siły działającej osiowo względem cylindra i następnie zmieniającej ten kierunek na prostopadły do ściany cylindra, poprzez wykorzystanie tzw. przegubu Cardana, w którym zastosowany jest pierścień pośredni napierający na kołki ustawione prostopadle względem siebie, które to kołki działają już na osełki w sposób znany. Z podobnego rozwiązania dotyczącego przenoszenia siły rozpierającej tak, aby jej wartość była równomierna dla wszystkich osełek jednocześnie jest rozwiązanie opisane w patencie polskim o numerze PL 181532, w którym przegub Cardana zastąpiono przegubem kulowym.

Wiadomym i znanym także obecnie jest, że zasadne jest przygotowanie powierzchni wewnętrznej cylindra tak, aby zależnie od jego wysokości, dokonywać odmiennej obróbki w zakresie powierzchni znajdującej się w konkretnym położeniu wysokości cylindra, raz to zwiększać głębokość nacięć, raz zmniejszać dla danego punktu wysokości, a czasem zmniejszać lub zwiększać kąt prowadzenia linii śrubowej względem pierścienia cylindra. Jest to możliwe dzięki sprzężeniu ruchu posuwisto-zwrotnego głowicy z siłą nacisku i jednocześnie prędkością obrotową w danej chwili, którą to prędkość można świadomie zmieniać w pewnych zakresach z odpowiednią szybkością następujących po sobie zmian. Kłopotem może być pewna trudność w określeniu precyzyjnego położenia osełek, a szczególnie położenia osełek względem cylindra, w rozumieniu aktualnego umieszczenia na danej wysokości cylindra. Jednak to zagadnienie można przyjąć, że zostało rozwiązane poprzez dość precyzyjne określenie punktu położenia głowicy względem obrabianej powierzchni w rozwiązaniu co prawda dotyczącym głowicy pracującej poziomo i mogącej posiadać na zewnątrz w pewnym oddaleniu od elementów roboczych trących dodatkową karetkę, jednak poprzez sprzężenie karetki z czujnikami położenia osadzonymi na zewnątrz głowicy na jej trzpieniu doprowadzającym do niej napęd, możliwe jest określenie aktualnego położenia głowicy w kierunku ruchu posuwisto-zwrotnego. Rozwiązanie to opisane jest w polskim zgłoszeniu wynalazku o numerze 293909.

Niestety, te wskazane konkretne rozwiązania, mimo że dotyczą zapewnienia równomierności sił działających na osełki wewnątrz głowicy, to w zupełności nie rozwiązują problemu siły naporu osełek na ścianę obrabianego cylindra silnikowego. Nie uwzględniają bowiem w żadnym z tych przypadków faktu, że osełki zużywają się nierównomiernie, co skutkuje inną siłą naporu osełki na ścianę obrabianego cylindra, mimo że siła rozpierania wewnątrz rdzenia działająca na osełki jest równomierna dla każdej z osełek.

Tylko wtedy bowiem, gdy znane będzie zużycie powierzchni ciernej dla poszczególnej osełki względem tych pozostałych, a także tylko wtedy, gdy będzie można indywidualnie każdą z osełek dostosować wysuwem z rdzenia głowicy honującej w kierunku ściany obrabianego cylindra można będzie zapewnić, że każda z osełek mimo różnic w zużyciu będzie napierać z taką samą siłą na ścianę obrabianego cylindra, a co z tym w konsekwencji związane, obróbka będzie znacznie bardziej precyzyjna, równomierna i świadoma, tzn. możliwa do zaplanowania, a co najważniejsze wykonana zgodnie z planem. W obecnej chwili taki sposób obróbki nie jest znany, aby możliwe było precyzyjne, a jednocześnie świadome prowadzenie osełek w dowolnie określonym punkcie wewnętrznej powierzchni obrabianej, w uniezależnieniu od ich jednostkowego zużycia. Nawet gdyby okazało się, że jeden z tych celów można osiągnąć, to nie jest nadużyciem stwierdzenie, że spełnienie dwóch jednocześnie nie jest do tej pory możliwe, tym bardziej, jeśli dodatkowo wprowadzi się wymóg kształtowania wewnętrznej powierzchni cylindra tak, że jedna linia śrubowa bez jej zerwania mogłaby posiadać świadome zróżnicowanie głębokości żłobień, a nawet świadome doprowadzenie do uzyskania kształtu przestrzennego wewnątrz cylindra innego niż walec przy zachowaniu precyzji żłobień i osiągnięciu równomiernej głębokości nacięć. W konsekwencji tym bardziej można stwierdzić, że nakładając na to wymóg prowadzenia procesu honowania jak najdłużej tym samym zestawem osełek bez ich wymiany z powodu na całkowite wytarcie, czyli zużycie, możliwe byłoby zwiększenie kilkukrotne wydajności prowadzonego procesu, tzn. że jednym zestawem osełek możliwe byłoby wykonanie kilkukrotnie większej liczby obróbek powierzchni cylindra. Do tej pory bowiem zamiana klasycznego mechanicznego prowadzenia osełek na elektromechaniczny przy wykorzystaniu materiałów piezoelektrycznych nie była skuteczna w tej mierze, ponieważ faktyczną grubością użytkową osełki osadzonej na piezoelektryku, jako siłowniku zapewniającym polepszony docisk osełki do powierzchni obrabianej, zasadniczo równomierny, była wielkość rzędu maksimum 0,1 mm, a najczęściej 0,05 mm.

Wymiany zestawów osełek prowadzone były więc często, a jedna zmiana wystarczała w zależności od zaplanowanej obróbki na opracowanie od kilku do kilkudziesięciu cylindrów silnika pojazdu osobowego, a dla ciężarowego mniej. Należy przy tym zauważyć, że obróbka cylindra prowadząca do

PL 232 104 B1 uzyskania kształtu wewnętrznego odmiennego od kształtu walca zasadniczo nie była możliwa przy użyciu piezoelektryków jako siłowników osełek, ponieważ wysuw zapewniający obróbkę jest wydaje się niewystarczający, gdyż uzyskać nim można zaledwie od 0,05 mm do 0,1 mm różnicy długości prostopadłych do siebie średnic wewnętrznych cylindra.

Celem rozwiązania według wynalazku jest prowadzenie honowania tak, aby możliwe było świadome i precyzyjne prowadzenie każdej z osełek z osobna, prowadzące do świadomego wykonywania nacięć o zadanej głębokości bez zerwania linii śrubowej, czyli bez wymiany zestawu osełek, takie, że wydajność jednego zestawu osełek zwiększa się kilkukrotnie względem obecnie znanych metod postępowania i jednocześnie uzyskana głębokość obróbki powierzchni cylindra jest zgodna z zamierzeniem uprzednio zaplanowanym dla danego punktu wewnętrznej powierzchni obrabianej, niezależnie od zużycia osełki, a także niezależnie od zróżnicowania tego zużycia w poszczególnych osełkach jednocześnie wykonujących proces obróbczy i również niezależnie od oczekiwanej struktury przestrzennej rys, oraz opcjonalnie oczekiwanego kształtu wewnętrznej powierzchni cylindra, który dla dowolnie zaplanowanej struktury rys mógłby przybierać kształt nieznacznie różny od walca.

Okazało się, że cel ten jest możliwy do spełnienia zgodnie z działaniem według wynalazku.

Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów, według wynalazku, w którym proces prowadzi się pierścieniową głowicą obrotową wprowadzaną do cylindra, polega na tym, że głowica wykonuje ruchy posuwisto-zwrotne i jednocześnie obraca się, a honowanie prowadzone jest w szczególności przez co najmniej parę osełek leżących naprzeciw siebie na tej samej wysokości, wysuwanych z głowicy dzięki siłownikowi do osełki przynależnemu, kierującemu siłę nacisku osełki na powierzchnię wewnętrzną cylindra prostopadle do tej powierzchni.

Wynalazek charakteryzuje się tym, że prowadzi się proces opracowywania powierzchni wewnętrznych od jednego do kilkuset sztuk cylindrów silnika spalinowego pomijając wymianę zestawu osełek na nowy nie użyty wcześniej element, a w czasie odstępu technologicznego pomiędzy wymianami na nowy element zapewnia się wysuw osełki realizowany za pomocą pojedynczego dedykowanego dla osełki siłownika dla rzeczywistego zużycia w trybie pracy na długość wynoszącą co najmniej 0,2 mm i uprzedniego zużycia technicznego w trybie dostosowania krawędzi zewnętrznej osełki do krzywizny wewnętrznej cylindra na długość wynoszącą co najmniej 0,1 mm. Jednocześnie dla uzyskania tego wysuwu stosuje się siłownik elektromechaniczny odkształcany na skutek przyłożonego napięcia albo zmiany temperatury, przy czym obróbkę prowadzi się tak, że wysuw tam i z powrotem osełki z głowicy jest kontrolowany urządzeniem mierniczym o dużej dokładności pomiaru rzędu 0,1 μm tak, że wartość chwilowa wysuwu osełki z głowicy jest korygowana przyłożonym do siłownika napięciem albo odpowiednio temperaturą w sprzężeniu zwrotnym takim, że każda z osełek z osobna posiada z powierzchnią wewnętrzną cylindra ciągłą w czasie styczność przy zachowaniu zasadniczo tej samej siły nacisku różnych osełek na okolicę danego punktu powierzchni cylindra mając na uwadze ruch posuwisto-zwrotny i obrotowy głowicy, a punkt powierzchni określony jest co do wysokości i kąta płaskiego sfery cylindra.

Korzystnie ustala się siłę nacisku powierzchni trącej osełek o powierzchnię wewnętrzną cyli ndra jako określoną i jednakową dla wszystkich osełek wartość, dla całej powierzchni wewnętrznej cylindra w postaci walca.

Korzystnie ustala się siłę nacisku powierzchni trącej osełek o powierzchnię wewnętrzną cylindra jako wybiórczo większą dla konkretnej osełki względem pozostałych osełek wartość, dla uzyskania kształtu wewnętrznego cylindra odmiennego od walca, przy czym zmiana wartości siły dla sekwencyjnie nadchodzących osełek jest narastająco opadająca.

Korzystnie ustala się siłę nacisku powierzchni trącej osełek o powierzchnię wewnętrzną cylindra jako wybiórczo większą dla par osełek leżących naprzeciwlegle względem osi głowicy, dla uzyskania kształtu wewnętrznego cylindra z symetrią względem osi cylindra, przy czym zmiana wartości siły dla sekwencyjnie nadchodzących osełek jest narastająco opadająca.

Korzystnie dzieląc umownie sferę cylindra na pierścienie, uzyskuje się dla nich dwa, lub więcej, ogniska poszczególnego pierścienia. Dla takiego działania korzystnie uzyskuje się taki kształt sfery cylindra, że łącząc umownie ze sobą ogniska pierścieni umieszczonych jeden nad drugim, uzyskuje się dwa, lub odpowiednio więcej, równoległe do siebie odcinki, i jednocześnie uzyskuje się cylinder o eliptycznym, lub odpowiednio innym, wewnętrznym kształcie powierzchni. W szczególności dla takiego postępowania uzyskuje się taki kształt sfery cylindra, że dwa ogniska tego samego pierścienia są od siebie oddalone o odległość z zakresu wartości od 0,1 mm do 5 mm.

PL 232 104 B1

Korzystnie cylinder obwiedniowo dzieli się na strefy, w których siła nacisku powierzchni trącej osełek o powierzchnię wewnętrzną cylindra jest stała w ramach tej samej strefy i jednocześnie różna w ramach sąsiadujących stref, co oznacza, że uzyskuje się zmienną chropowatość w sąsiadujących strefach.

Korzystnie cylinder obwiedniowo dzieli się na strefy, w których kąt żłobień powierzchni trącej jest stały w ramach tej samej strefy i jednocześnie jest różny w ramach sąsiadujących stref, co oznacza, że uzyskuje się zmienne nachylenie żłobień w sąsiadujących strefach.

Korzystnie siłownik generuje siłę o wartości z zakresu od 100 N do 2000 N, przy czym siłę tę reguluje się w układzie sterowania, w zależności od prowadzonego w danym momencie procesu, a najlepiej wtedy elektronicznie. Korzystnie wykonuje się pomiary średnicy wewnętrznej cylindra przy wykorzystaniu układu pomiarowego wysuwu osełek i ich zużycia, a najlepiej wtedy na różnych wysokościach cylindra i niezależnie w różnych punktach sfery dla tej samej wysokości.

Korzystnie mierzy się siłę nacisku osełki na ścianę cylindra, wykorzystując do tego czujnik siły, a uzyskany pomiar ocenia się i ewentualnie na jego podstawie zmienia się siłę nacisku na ścianę cylindra.

Korzystnie w głowicy stosuje się obrotowe złącze elektryczne, a najlepiej takie, w którym sygnał elektryczny przekazywany jest za pomocą ciekłego metalu.

Korzystnie osełkę wysuwa się z głowicy, bądź chowa w głowicy, z prędkością wynoszącą co najmniej 15 mm/s.

Korzystnie ustala się minimalną częstotliwość pracy siłownika pracującego w sprzężeniu zwrotnym, jako wartość wynoszącą co najmniej 1 kHz, a lepiej 1,6 kHz

Korzystnie ustala się minimalną częstotliwość odczytu sygnałów z układu pomiarowego dowolnego siłownika jako wartość 10 kHz, a najlepiej gdy wynosi ona 16 kHz.

Korzystnie dla uzyskania wysuwu osełki stosuje się siłownik piezoelektryczny połączony z osełką przy wykorzystaniu przekładni zwiększającej wychył piezoelektryka co najmniej kilkukrotnie, korzystnie kilkudziesięciokrotnie.

Korzystnie dla uzyskania wysuwu osełki stosuje się siłownik w postaci termosprężystego stopu metali z pamięcią kształtu albo w postaci magnetycznego materiału z pamięcią kształtu albo w postaci materiału dielektrycznego reagującego elektrostrykcyjnie.

Zalety rozwiązania według wynalazku:

- możliwość uzyskiwania struktury powierzchni tulei cylindrowej o różnej chropowatości przy zachowaniu ciągłości rys.

Obecne metody uzyskiwania różnej chropowatości polegają na stosowaniu różnych pilników (wyposażonych w materiał ścierny o innej charakterystyce), co podczas obróbki cechuje się nieciągłością rys. Rysy w dolnej, środkowej i górnej strefie tulei są nacinane przez różne pilniki i nie ma pomiędzy nimi ciągłości. Proponowane rozwiązanie umożliwi uzyskanie bardziej powtarzalnej struktury powierzchni, z zachowaną ciągłością rys na całej wysokości tulei cylindrowej, co powinno przełożyć się na zwiększenie ciągłości filmu olejowego, co z kolei może polepszyć warunki smarowania pierścieni tłokowych w cylindrze, zwłaszcza podczas rozruchu silnika. Pośrednim efektem uzyskania bardziej parametryzowanej struktury rys na powierzchni gładzi cylindrowej powinno być zmniejszenie tarcia, zmniejszenie zużycia oleju podczas pracy silnika, zwiększenie trwałości silnika i zmniejszenie emisyjności jednostki napędowej.

- możliwość osiągnięcia struktury gładzi cylindrowej o zmiennym kącie nachylenia rys honowniczych, przy zachowaniu ciągłości tych rys.

Uzyskana w ten sposób struktura powierzchni pozwoli na zoptymalizowania położenia i objętości przestrzeni depozytowych dla oleju na wysokości cylindra w chwili pracy silnika. Zmienne kąty honowania umożliwią zwiększenie ilości oleju w strefach tego wymagających, oraz zmniejszenie ilości oleju w strefach tego wymagających. Efektem zastosowania takiej struktury powierzchni będzie możliwość opracowania lepszego procesu trybologicznego, oraz kontrolowanie reologii oleju podczas pracy silnika.

- możliwość produkcji cylindrów które są wykonane w kształcie nieokrągłym.

Może mieć to znaczny wpływ na możliwości projektowania jednostek napędowych w ten sposób, aby osiągały one swoje optymalne parametry i kształty w wymaganych temperaturach pracy. Przykładem może być silnik wielocylindrowy rzędowy. Technologia honowanie precyzyjnych kształtów nieokrągłych może prowadzić do zaprojektowania silnika w taki sposób aby tuleja cylindrowa osiągnęła kształt walca w temperaturze pracy silnika (ok 90°C), natomiast w temperaturach otoczenia (20°C) tuleje mogłyby mieć kształt nieokrągły (np. eliptyczny) tak, aby po nagrzaniu się do temperatury roboczej silnika rozszerzenie się tulei cylindrowej uwzględniało także nieliniowe rozszerzanie się bloku silnika.

PL 232 104 B1

- możliwość zmniejszenia zużycia materiałów ściernych poprzez optymalizację pracy każdej z osełek oddzielnie, oraz bieżące monitorowanie zdolności produkcyjnej całej głowicy.

Proponowane rozwiązanie umożliwi także lepsze planowanie produkcji, np. w przypadku gdy system sterowania odczytuje nadmierne zużycie osełek wówczas z wyprzedzeniem obsługa może odpowiednio albo zaplanować szybszą wymianę osełek, albo też zmienić parametry technologiczne (np. zmiana nacisku osełek z równoczesnym wydłużenie czasu technologicznego) co spowolni proces zużycia i doprowadzi do wymiany osełek w terminie pierwotnie planowanym. Rozwiązanie takie jest szczególnie ważne w przypadku zakładów produkcyjnych gdzie istnieje sztywno zaplanowany czas pomiędzy wymianą narzędzi, która niejednokrotnie wymaga kwalifikacji zdecydowanie wyższych niż są dostępne w kadrze produkcyjnej (w takim przypadku to ustawiacz dokonuje wymiany narzędzi, a nie operator obrabiarki).

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania, zgodnie z zamierzonym celem.

P r z y k ł a d I

Przykładowy sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów, w którym proces prowadzono pierścieniową głowicą obrotową wprowadzaną do cylindra, polegał na tym, że głowica wykonywała ruchy posuwisto-zwrotne i jednocześnie obracała się, a honowanie prowadzone było przez dwie osełki, czyli parę osełek leżących naprzeciw siebie na tej samej wysokości, wysuwanych z głowicy dzięki siłownikowi do osełki przynależnemu, kierującemu siłę nacisku osełki na powierzchnię wewnętrzną cylindra prostopadle do tej powierzchni. Osełki były dwie, więc także w tym wykonaniu siłowniki były dwa, po jednym dla każdej osełki.

W przykładzie opracowywano powierzchnię wewnętrzną jednego cylindra silnika spalinowego pomijając wymianę zestawu osełek na nowe nie użyte wcześniej elementy, a w czasie odstępu technologicznego pomiędzy wymianami na nowy element zapewniono wysuw osełki realizowany za pomocą pojedynczego dedykowanego dla osełki siłownika dla rzeczywistego zużycia w trybie pracy na długość wynoszącą 5 mm i uprzedniego zużycia technicznego w trybie dostosowania krawędzi zewnętrznej osełki do krzywizny wewnętrznej cylindra na długość wynoszącą 0,2 mm. Jednocześnie dla uzyskania tego wysuwu zastosowano siłownik elektromechaniczny odkształcany na skutek przyłożonego napięcia, przy czym obróbkę prowadzono tak, że wysuw tam i z powrotem osełki z głowicy był kontrolowany urządzeniem mierniczym o dużej dokładności pomiaru rzędu 0,1 μm tak, że wartość chwilowa wysuwu osełki z głowicy była korygowana przyłożonym do siłownika napięciem w sprzężeniu zwrotnym. Każda z osełek z osobna posiadała z powierzchnią wewnętrzną cylindra ciągłą w czasie styczność przy zachowaniu zasadniczo tej samej siły nacisku obu osełek na okolicę danego punktu powierzchni cylindra mając na uwadze ruch posuwisto-zwrotny i obrotowy głowicy, a punkt powierzchni, w którym określano siłę nacisku określony był każdorazowo co do wysokości i kąta płaskiego sfery cylindra. Osełki przesuwając się wewnątrz cylindra po zbliżeniu się w okolice punktu, dla którego pomiar siły był wykonywany, za każdym razem naciskały z tą samą siłą powierzchnię obrabianą.

Dla innych punktów powierzchni siła ta jednak była różna. Rozkład sił zmieniał się liniowo łagodnie wraz z obrotem głowicy w pierścieniu i miał swe ekstrema co 90° miary kątowej cylindra, odpowiednio siła wynosiła w nich 2000 N i 100 N naprzemiennie, co prowadziło do uzyskania wewnątrz kształtu eliptycznego. Wypełnia to zasadę, że ustalono siłę nacisku powierzchni trącej osełek o powierzchnię wewnętrzną cylindra jako wybiórczo większą dla par osełek leżących naprzeciwlegle względem osi głowicy, dla uzyskania kształtu wewnętrznego cylindra z symetrią względem osi cylindra, przy czym zmiana wartości siły dla sekwencyjnie nadchodzących osełek jest płynnie narastająco opadająca. Dzieląc umownie sferę cylindra na pierścienie, uzyskano więc dla nich dwa ogniska poszczególnego pierścienia. Dla takiego działania uzyskano więc taki kształt sfery cylindra, że łącząc umownie ze sobą ogniska pierścieni umieszczonych jeden nad drugim, otrzymano dwa równoległe do siebie odcinki. Dwa ogniska tego samego pierścienia były od siebie oddalone zawsze o odległość 2 mm. Po uzyskaniu kształtu eliptycznego nastąpił drugi etap obróbczy, w którym cylinder obwiedniowo podzielono na strefy, w których siła nacisku powierzchni trącej osełek o powierzchnię wewnętrzną cylindra była stała w ramach tej samej strefy i jednocześnie różna w ramach sąsiadujących stref, co oznacza, że uzyskano zmienną chropowatość w sąsiadujących strefach. Obróbkę prowadzono stosując siłę naporu na powierzchnię wewnętrzną cylindra odmienną kolejno w pięciu strefach, z których naprzemiennie znajdowała się strefa o zadanej chropowatości stałej i strefa przejściowa pomiędzy dwiema sąsiadującymi strefami o różnej chropowatości, czyli uzyskano trzy różne chropowatości w szerszych rozmiarem strefach, odpowiednio 40 mm, 100 mm i 90 mm, a strefy przejściowe miały szerokość pierścieni równy, wynoszący po 15 mm,

PL 232 104 B1 oraz strefy przejściowe miały płynnie zmienną chropowatość. Stosowane siły wynosiły w danych strefach odpowiednio 500 N, 300 N, 400 N, 300 N, 500 N.

Niezależnie od uzyskania różnej chropowatości cylinder obwiedniowo podzielono na strefy, w których kąt żłobień powierzchni trącej był stały w ramach tej samej strefy i jednocześnie był różny w ramach sąsiadujących stref, co oznacza, że uzyskano zmienne nachylenie żłobień w sąsiadujących strefach. Choć można było zrobić to dla innych rozmiarów stref, zastosowano to jednak dla tych samych co uprzednio stref, stąd były trzy strefy główne i dwie przejściowe, a kąt względem pionu był w nich odpowiednio o wartości 15°, 25°, 35°, 25°, 15°. W czasie obróbki mierzy się siłę nacisku osełki na ścianę cylindra, wykorzystując do tego czujnik siły, a uzyskany pomiar ocenia się i ewentualnie na jego podstawie zmienia się siłę nacisku na ścianę cylindra. Siłownik generował siłę o wartości z zakresu od 100 N do 2000 N, przy czym siłę tę regulowano poprzez układ sterowania, w zależności od prowadzonego w danym momencie procesu, ponieważ musiało mieć to korelację z aktualnym położeniem każdej z osełek z osobna i jednocześnie z zadaniem aktualnie wykonywanym, stąd regulowano siłę elektronicznie.

Układ sterowania korelował także zaplanowane prędkości obróbki i częstotliwość zmian oraz pomiarów wykonując pomiary średnicy wewnętrznej cylindra przy wykorzystaniu układu pomiarowego wysuwu osełek i ich zużycia, na różnych wysokościach cylindra i niezależnie w różnych punktach sfery dla tej samej wysokości. Dzięki temu obróbka tak skomplikowana była możliwa i jednocześnie bardzo precyzyjna. W głowicy zastosowano obrotowe złącze elektryczne, co pozwoliło zapewnić właśnie te niezbędne do obróbki parametry, w rodzaju wysuwu osełki z głowicy, bądź chowania jej w głowicy z określoną prędkością, minimalnej częstotliwość pracy siłownika pracującego w sprzężeniu zwrotnym, minimalnej częstotliwości odczytu sygnałów z układu pomiarowego dowolnego siłownika. Dla uzyskania wysuwu osełki zastosowano siłownik piezoelektryczny połączony z osełką przy wykorzystaniu przekładni zwiększającej wychył piezoelektryka dziesięciokrotnie. W szczegółach określono potrzebne wartości następująco.

Osiągnięto zakładaną strukturę chropowatą przy prędkości liniowej posuwu głowicy nie mniejszej niż 0,4 m/s i prędkości obrotowej nie mniejszej niż 250 obr/min. Przy wymaganej strefie przejściowej 15 mm i dla tulei o średnicy 150 mm czas osiągnięcia zmiany chropowatości to 0,0375 s, przy drodze 2 μm, co oznacza minimalną prędkość rozprężania osełek dla tej funkcji równą 18,75 mm/s. Cel optymalny to osiągnięcie pozytywnych wyników dla prędkości posuwu pionowego 0,6 m/s, co generuje prędkość odkształcenia osełek 28,13 mm/s.

Dla synchronizacji zmiany nacisku pojedynczej osełki względem obrotu głowicy, czyli możliwości honowania kształtów nieokrągłych minimalna prędkość wysuwu osełek nie była mniejsza niż 16,68 mm/s. Cel optymalny dla tej funkcji to honowanie kształtów nieokrągłych przy prędkości obrotowej 400 obr/min, co przekłada się na prędkość wysuwu osełek 26,69 mm/s. Dla obu funkcji osiąganych jednocześnie prędkości wysuwu osełek to 35,43 mm/s, natomiast cel optimum to 54,82 mm/s.

Aby umożliwić prawidłową reakcje siłownika na zadawane parametry technologiczne należy założyć, że układ napędowy powinien mieć możliwość wysterowania nowej wartości pozycji, lub siły, w czasie wynikającym z zakładanej precyzji odwzorowania zadanej trajektorii. Otrzymujemy więc wymagany czas reakcji systemu sterowania siłownika na poziomie 500 mikrosekund. Oznacza to, że częstotliwość pracy zarówno siłownika, jak i systemu sterowania siłownika powinna wynosić nie mniej niż 1 kHz, natomiast wartością optymalną jest częstotliwość 1,6 kHz umożliwiająca pracę z powyższą rozdzielczością przy prędkości obrotowej 400 obr/min. Aby sterowanie było możliwe i właściwe rozdzielczość układu pomiarowego powinna być o rząd wielkości większa niż układu wykonawczego, co oznacza że układ sprzężenia zwrotnego powinien pracować przy częstotliwości dochodzącej do 100 kHz przy wariancie minimum oraz 16 kHz przy wariancie optymalnym.

P r z y k ł a d II

Jak w przykładzie pierwszym, przy czym dobrano odpowiednie dla tego wykonania prędkości i siły naporu na wewnętrzną powierzchnię cylindra a dla uzyskania wysuwu zastosowano siłownik elektromechaniczny odkształcany na skutek przyłożonej temperatury, a wartość chwilowa wysuwu osełki z głowicy była korygowana przyłożoną do siłownika temperaturą w sprzężeniu zwrotnym. Zamiast obróbki jednej sztuki cylindra na dużą głębokość wykonano jednym zestawem osełek honowanie w osiemdziesięciu sztukach cylindrów, dla 20 silników spalinowych czterocylindrowych. Ustalono siłę nacisku powierzchni trącej osełek o powierzchnię wewnętrzną cylindra jako określoną i jednakową dla wszystkich osełek wartość 300 N, dla całej powierzchni wewnętrznej cylindra, gdyż jego kształtem był walec.

PL 232 104 B1

Wykonywano jedynie nacięcia, stąd zużycie osełek było dla poszczególnego cylindra znacznie mniejsze, a nacięcia nie były głęboko profilowane. Nie zastosowano odmiennych stref chropowatości, jednak zastosowano odmienne nachylenie w trzech strefach bez stref przejściowych, odpowiednio 30°, 45° i 60°. Użyto w tym wykonaniu głowicy z sześcioma osełkami rozmieszczonymi na obwodzie głowicy co 60° miary kątowej. Obrabiając cylinder dla uzyskania wysuwu osełki stosowano siłownik w postaci prostopadłościanu termosprężystego wykonanego z materiału dielektrycznego reagującego elektrostrykcyjnie, ogólnie znanego już w technice ze względu na swe właściwości.

P r z y k ł a d III

Jak w przykładzie drugim, z tą różnicą, że użyto czterech osełek rozmieszczonych naprzeciw siebie na tej samej wysokości, obwodzie głowicy co 90° miary kątowej, a także ustalono siłę nacisku powierzchni trącej osełek o powierzchnię wewnętrzną cylindra jako wybiórczo większą dla konkretnej osełki względem pozostałych osełek wartość, dla uzyskania kształtu wewnętrznego cylindra odmiennego od walca, przy czym zmiana wartości siły dla sekwencyjnie nadchodzących osełek była płynnie narastająco opadająca. Uzyskano powierzchnię wewnętrzną cylindryczną z jednym biegnącym przez całą wysokość cylindra delikatnym wgłębieniem o skoku 0,5 mm, co pozwala w przyszłości podczas pracy silnika na łatwiejszy przepływ nadmiaru oleju. Obrabiając cylinder dla uzyskania wysuwu osełki stosowano siłownik w postaci prostopadłościanu w postaci magnetycznego materiału z pamięcią kształtu, ogólnie znanego już w technice ze względu na swe właściwości.

Claims (18)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów, w którym proces prowadzi się pierścieniową głowicą obrotową wprowadzaną do cylindra, gdzie głowica wykonuje ruchy posuwisto-zwrotne i jednocześnie obraca się, a honowanie prowadzone jest w szczególności przez co najmniej parę osełek leżących naprzeciw siebie na tej samej wysokości, wysuwanych z głowicy dzięki siłownikowi do osełki przynależnemu, kierującemu siłę nacisku osełki na powierzchnię wewnętrzną cylindra prostopadle do tej powierzchni, znamienny tym, że prowadzi się proces opracowywania powierzchni wewnętrznych od jednego do kilkuset sztuk cylindrów silnika spalinowego pomijając wymianę zestawu osełek i siłownika osełki na nowy nie użyty wcześniej element, a w czasie odstępu technologicznego pomiędzy wymianami na nowy element zapewnia się wysuw osełki realizowany za pomocą pojedynczego dedykowanego dla osełki siłownika dla rzeczywistego zużycia w trybie pracy na długość wynoszącą co najmniej 0,2 mm i uprzedniego zużycia technicznego w trybie dostosowania krawędzi zewnętrznej osełki do krzywizny wewnętrznej cylindra na długość wynoszącą co najmniej 0,1 mm, i jednocześnie dla uzyskania tego wysuwu stosuje się siłownik elektromechaniczny odkształcany na skutek przyłożonego napięcia albo temperatury, przy czym obróbkę prowadzi się tak, że wysuw tam i z powrotem osełki z głowicy jest kontrolowany urządzeniem mierniczym o dużej dokładności pomiaru rzędu 0,1 μm tak, że wartość chwilowa wysuwu osełki z głowicy jest korygowana przyłożonym do siłownika napięciem, albo odpowiednio temperaturą, w sprzężeniu zwrotnym takim, że każda z osełek z osobna posiada z powierzchnią wewnętrzną cylindra ciągłą w czasie styczność przy zachowaniu zasadniczo tej samej siły nacisku różnych osełek na okolicę danego punktu powierzchni cylindra mając na uwadze ruch posuwisto-zwrotny i obrotowy głowicy, a punkt powierzchni określony jest co do wysokości i kąta płaskiego sfery cylindra.
2. 2. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według zastrz. 1, znamienny tym, że ustala się siłę nacisku powierzchni trącej osełek o powierzchnię wewnętrzną cylindra jako określoną i jednakową dla wszystkich osełek wartość, dla całej powierzchni wewnętrznej cylindra w postaci walca.
3. 3. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według zastrz. 1, znamienny tym, że ustala się siłę nacisku powierzchni trącej osełek o powierzchnię wewnętrzną cylindra jak o wybiórczo większą dla konkretnej osełki względem pozostałych osełek wartość, dla uzyskania kształtu wewnętrznego cylindra odmiennego od walca, przy czym zmiana wartości siły dla sekwencyjnie nadchodzących osełek jest narastająco opadająca.
4. 4. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według zastrz. 1, znamienny tym, że ustala się siłę nacisku powierzchni trącej osełek o powierzchnię wewnętrzną cylindra jako wybiórczo większą dla par osełek leżących naprzeciwlegle względem osi głowicy, dla uzyskania

   PL 232 104 B1 kształtu wewnętrznego cylindra z symetrią względem osi cylindra, przy czym zmiana wartości siły dla sekwencyjnie nadchodzących osełek jest narastająco opadająca.
5. 5. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według zastrz. 4, znamienny tym, że dzieląc umownie sferę cylindra na pierścienie, uzyskuje się dla nich dwa, lub więcej, ogniska poszczególnego pierścienia.
6. 6. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według zastrz. 5, znamienny tym, że uzyskuje się taki kształt sfery cylindra, że łącząc umownie ze sobą ogniska pierścieni umieszczonych jeden nad drugim, uzyskuje się dwa, lub odpowiednio więcej, równoległe do siebie odcinki, i jednocześnie uzyskuje się cylinder o eliptycznym, lub odpowiednio innym, wewnętrznym kształcie powierzchni.
7. 7. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według zastrz. 5 albo zastrz. 6, znamienny tym, że uzyskuje się taki kształt sfery cylindra, że dwa ogniska tego samego pierścienia są od siebie oddalone o odległość z zakresu wartości od 0,1 mm do 5 mm.
8. 8. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według zastrz. 1, znamienny tym, że cylinder obwiedniowo dzieli się na strefy, w których siła nacisku powierzchni trącej osełek o powierzchnię wewnętrzną cylindra jest stała w ramach tej samej strefy i jednocześnie różna w ramach sąsiadujących stref, co oznacza, że uzyskuje się zmienną chropowatość w sąsiadujących strefach.
9. 9. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według zastrz. 1, znamienny tym, że cylinder obwiedniowo dzieli się na strefy, w których kąt żłobień powierzchni trącej jest stały w ramach tej samej strefy i jednocześnie jest różny w ramach sąsiadujących stref, co oznacza, że uzyskuje się zmienne nachylenie żłobień w sąsiadujących strefach.
10. 10. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według któregokolwiek z zastrz. od zastrz. 1 do zastrz. 9, znamienny tym, że siłownik generuje siłę o wartości z zakresu od 100 N do 2000 N, przy czym siłę tę reguluje się w układzie sterowania, w zależności od prowadzonego w danym momencie procesu, korzystnie elektronicznie.
11. 11. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według któregokolwiek z zastrz. od zastrz. 1 do zastrz. 10, znamienny tym, że wykonuje się pomiary średnicy wewnętrznej cylindra przy wykorzystaniu układu pomiarowego wysuwu osełek i ich zużycia, korzystnie na różnych wysokościach cylindra i niezależnie w różnych punktach sfery dla tej samej wysokości.
12. 12. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według któregokolwiek z zastrz. od zastrz. 1 do zastrz. 11, znamienny tym, że mierzy się siłę nacisku osełki na ścianę cylindra, wykorzystując do tego czujnik siły, a uzyskany pomiar ocenia się i ewentualnie na jego podstawie zmienia się siłę nacisku na ścianę cylindra.
13. 13. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według któregokolwiek z zastrz. od zastrz. 1 do zastrz. 12, znamienny tym, że w głowicy stosuje się obrotowe złącze elektryczne, korzystnie takie, w którym sygnał elektryczny przekazywany jest za pomocą ciekłego metalu.
14. 14. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według któregokolwiek z zastrz. od zastrz. 1 do zastrz. 13, znamienny tym, że osełkę wysuwa się z głowicy, bądź chowa w głowicy, z prędkością wynoszącą co najmniej 15 mm/s.
15. 15. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według któregokolwiek z zastrz. od zastrz.

    1 do zastrz. 14, znamienny tym, że ustala się minimalną częstotliwość pracy siłownika pracującego w sprzężeniu zwrotnym, jako wartość wynoszącą co najmniej 1 kHz, a najlepiej 1,6 kHz.
16. 16. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według któregokolwiek z zastrz. od zastrz. 1 do zastrz. 15, znamienny tym, że ustala się minimalną częstotliwość odczytu sygnałów z układu pomiarowego dowolnego siłownika jako wartość 10 kHz, a najlepiej gdy wynosi ona 16 kHz.
17. 17. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według któregokolwiek z zastrz. od zastrz. 1 do zastrz. 16, znamienny tym, że dla uzyskania wysuwu osełki stosuje się siłownik piezoelektryczny połączony z osełką przy wykorzystaniu przekładni zwiększającej wychył piezoelektryka co najmniej kilkukrotnie, korzystnie kilkudziesięciokrotnie.
18. 18. Sposób honowania wewnętrznej powierzchni cylindrów według któregokolwiek z zastrz. od zastrz. 1 do zastrz. 17, znamienny tym, że dla uzyskania wysuwu osełki stosuje się siłownik w postaci termosprężystego stopu metali z pamięcią kształtu albo w postaci magnetycznego materiału z pamięcią kształtu albo w postaci materiału dielektrycznego reagującego elektrostrykcyjnie.