WO2004022284A1 - Spanneinrichtung einer feinbearbeitungsvorrichtung und verfahren zum verformungsangepassten feinbearbeiten eines werkstücks unter einsatz der spanneinrichtung - Google Patents

Spanneinrichtung einer feinbearbeitungsvorrichtung und verfahren zum verformungsangepassten feinbearbeiten eines werkstücks unter einsatz der spanneinrichtung Download PDF

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WO2004022284A1
WO2004022284A1 PCT/EP2003/008416 EP0308416W WO2004022284A1 WO 2004022284 A1 WO2004022284 A1 WO 2004022284A1 EP 0308416 W EP0308416 W EP 0308416W WO 2004022284 A1 WO2004022284 A1 WO 2004022284A1
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WO
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workpiece
clamping device
deformation
clamping
clamping force
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PCT/EP2003/008416
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Axel Heuberger
Dieter Nowak
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Daimlerchrysler Ag
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B33/00—Honing machines or devices; Accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q3/00—Devices holding, supporting, or positioning work or tools, of a kind normally removable from the machine
    • B23Q3/02—Devices holding, supporting, or positioning work or tools, of a kind normally removable from the machine for mounting on a work-table, tool-slide, or analogous part
    • B23Q3/06—Work-clamping means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING OR HOLDING
    • B25B5/00—Clamps

Definitions

  • the invention relates to a clamping device of a fine machining device for producing a defined elastic deformation of at least one workpiece to be machined, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for deformation-adapted fine machining of a workpiece using the clamping device, according to the preamble of claim 13.
  • a honing machine with a tensioning device for achieving a defined tensioning effect, particularly in a cylinder block of an internal combustion engine to be honed. This is intended to simulate an expected deformation of the cylinder block during the final assembly of an associated cylinder head on the same.
  • Such an assembly-related deformation of a cylinder block is also referred to as cold deformation.
  • the known honing machine and in particular its clamping device is disadvantageous because it is only suitable for simulating a final assembly state of the cylinder block and does not take into account the real operating state of the same with the resulting geometric deviations.
  • the tensioning device is not a sufficiently precise simulation of a A plurality of overlapping workpiece deformations of different causes are suitable, so that the traditionally used honing processing also does not achieve a satisfactory compensation of the geometric deviations that occur on the workpiece in the real operating state.
  • the tensioning device according to the invention is characterized in that it has a permanently variable tensioning force generation system with which a tensioning force value can be flexibly adjusted. This makes it possible to generate a flexible simulation of a real deformation of at least a partial area of the same workpiece that is to be expected during operational use of the workpiece, and thus to achieve a corresponding compensation of otherwise occurring geometric deviations with regard to a desired target workpiece geometry.
  • the clamping force generation system can also be permanently varied with regard to the point of application of the clamping force.
  • a relative movement of the clamping force generation system with respect to the workpiece and / or the introduction of an additional clamping force at a new workpiece location or the suspension of an existing introduction of clamping force into the workpiece can take place.
  • the clamping force generation system is advantageously designed as a pressure and / or tensile force generation system that is independent of the workpiece.
  • Such a clamping force generation system is in contrast to a system known from DE 28 10 322 OS, which allows the production of a screw connection between a clamping part and a workpiece, while forming a desired clamping force, which corresponds, for example, to that between a cylinder block and a cylinder head.
  • the clamping force amount only 1 is based on the self-adjusting tightening torque of the screw connection. Since the tightening torque is intended to simulate a single defined deformation situation of the workpiece in accordance with the final assembly, it is not intended to change it and is not very useful.
  • the clamping force (pressure force and / or tensile force) is initiated regardless of the selected compound form with the workpiece varied freely thereinto by means of the ER- 'inventive clamping force generating system.
  • a system contact of a hydraulic cylinder for transferring a variable pressure force into the workpiece or (alternatively or additionally) a screw connection by means of threaded elements can be used as the connection form, the respective thread only serving to introduce a variable, externally applied pressure or tensile force into the workpiece.
  • the clamping force generation system preferably contains a plurality of clamping force generating elements, so that a temporally and spatially flexible transmission of compressive and / or tensile clamping forces into the workpiece is possible.
  • at least two clamping force generating elements can be set independently of one another with respect to a respective clamping force operating value and / or a respective clamping force introduction point into the workpiece.
  • the clamping force generating element is a force-adjustable hydraulic cylinder or as a threaded element which can be externally loaded with a clamping force . ment trained.
  • flexible use of the named functional elements or also other types of functional elements for generating and introducing force into the workpiece can be provided.
  • a pressure plate is arranged between the hydraulic cylinder and the workpiece, the at least one adapted to the workpiece geometry through opening to ensure the accessibility of a Maschinen Swisswandung • a finishing tool.
  • the pressure plate can be at least partially provided with a surface structure on its workpiece contact surface.
  • the surface structuring can be designed in the form of a flange or beading, in particular in the pressing areas of the pressure plate, in order to ensure a pressure plate spring stiffness which is gentle on the workpiece at least in some areas.
  • the clamping device can have a control device with a data storage unit for storing target data with regard to the workpiece distortion to be expected when the workpiece is started up. Furthermore, the clamping device can contain a measuring device for determining the actual data of the workpiece distortion actually generated by the clamping device. This allows performing an automatic and precise • tracken elastic deformation of the workpiece by means of the clamping device.
  • the finishing device can be a honing device and the workpiece can be a cylinder liner of a cylinder .
  • the tensioning device according to the invention is suitable for simulating both a box deformation state which arises during final assembly and a heat deformation state of a cylinder liner which is superimposed during commissioning. This enables compensation of otherwise occurring geometric deviations of the cylinder liner, which can be traced back to operational deformations, by means of a deformation-adapted honing treatment of the same.
  • the method according to the invention is characterized in that a real deformation to be expected when the workpiece is put into operation is determined and / or calculated with the provision of workpiece deformation data, which are used to achieve a corresponding elastic pre-deformation of the workpiece by means of the clamping device, and that the pre-ver - The shaped workpiece is finely machined using a fine-machining tool.
  • At least one additional elastic further deformation of the workpiece is generated by means of the clamping device during the fine machining of the elastically pre-deformed workpiece.
  • the elastic further shaping of the workpiece can take place depending on the progress of the finishing process and in particular a particular machining position of the finishing tool on the workpiece.
  • the complex deformation during honing of a cylinder liner of a crankcase The same can be changed due to an overlapping cold and hot deformation by means of the tensioning device according to the invention depending on the respective working position of the honing tool in the cylinder barrel of the cylinder liner to be machined, so that the finished cylinder barrel assumes an ideally round shape during or after the crankcase is started up.
  • the further deformation of the workpiece is generated by changing the clamping force operating value and / or by shifting the clamping force introduction point. This enables a clamping force transmission into the workpiece which is adapted to the respective workpiece shape and fulfills the deformation task.
  • the workpiece deformation data can be calculated using a finite element method. Simulation calculations of this type are particularly suitable for the theoretical determination of deformations of a workpiece that cannot be practically determined by measurement technology, such as, for example, a cylinder liner of a crankcase that is in operation and is relatively complex cold and hot formed.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of a workpiece fixed by means of a clamping device according to the invention in accordance with a first embodiment in a finishing device
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a workpiece fixed by means of a clamping device according to the invention according to a second embodiment in a finishing device.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a clamping device 10 of a fine machining device 12 for machining a workpiece 14.
  • the fine machining device 12 is a honing device that can be moved according to the double arrows 50, 52 with a fine machining tool 26 in the form of a honing spindle 56 and a honing tool 58 , while the workpiece 14 is a cylinder crankcase 44 with cylinder liners 42 to be machined.
  • the cylinder liner 42 is to be machined or honed in such a way that, when the cylinder crankcase 44 is in operation in an internal combustion engine (not shown in the figures), cold and hot deformations are superimposed, the cylinder liner 42, which also deforms, forms an almost ideally round cylinder bore 46 in cross section ,
  • the cylinder crankcase 44 rests on a support plate 48 and is fixed in position thereon by means of the clamping device 10, with the formation of a defined elastic deformation of the cylinder liner 42 to be machined.
  • the clamping device 10 has a plurality of, in particular independently adjustable clamping force generating elements 16 in the form of hydraulic cylinders 18, only two hydraulic cylinders 18 being shown in FIG.
  • the hydraulic cylinders 18 each transmit a defined and, if appropriate, variable clamping force in the form of a compressive force (arrow 54) into a pressure plate 20 which rests on the cylinder head side on the cylinder crankcase 44 and thus transmits the compressive forces 54 to the latter.
  • the deformation of the cylinder liner 42 which occurs in each case is preferably determined continuously by means of a measuring device 36 (arrow 40) and the corresponding deformation data are transmitted to a control device 30 (arrows 38, 34) which are used for control or Regulation of the application of force by means of the hydraulic cylinder 18 is used (arrow 32).
  • the control device 30 is preferably also operatively connected to a tool positioning system of the fine machining device 12 such that the pressure force setting can be varied depending on a particular machining position of the honing tool 58 relative to the cylinder liner 42 in order to achieve a correspondingly changed workpiece deformation even during the fine machining process.
  • the clamping device 10 thus has a permanently variable clamping force generation system 10 for the flexible setting of the clamping force value, wherein the clamping force introduction point can optionally also be varied continuously.
  • the design and thus also the effect of the pressure plate 20 on the workpiece 14 cannot be changed during a honing process.
  • the contact pressure of a respective hydraulic cylinder 18 can, however, be changed or regulated down to the millisecond range.
  • the pressure plate 20 has a plurality of through openings 22 adapted to the workpiece geometry to ensure the accessibility of a corresponding workpiece wall 24 for the honing tool 58. If necessary, the pressure plate 20 can be at least partially provided with a surface structuring and / or coating on its workpiece contact surface 28 (not shown in Figure 1). A cylinder head is to be simulated by means of the pressure plate 20, with the surface structuring or coating being intended to replace a cylinder head gasket with regard to its elastic deformation behavior. Depending on the exemplary embodiment, the pressure plate 20 can partially or completely constantly extend over the cylinder head-side surface of the cylinder crankcase 44.
  • a deformation-adapted fine machining of the workpiece 14 or the cylinder liner 42 is possible.
  • the expected real deformation of a respective cylinder liner 42 is determined and / or calculated with the provision of workpiece deformation data.
  • the workpiece deformation data can be calculated, for example, using a finite element method.
  • the deformation data obtained are used to achieve a corresponding elastic pre-deformation of the cylinder liner 42 to be machined by means of the clamping device 10.
  • the suitably elastically pre-deformed cylinder liner 42 is then machined using the honing tool 58 in a deformation-adapted manner.
  • one or more additional elastic deformations can be generated on the cylinder liner 42 by means of the clamping device 10 during the finishing process.
  • Elastic further shaping can take place, for example, depending on the progress of the finishing process.
  • the further deformation of the cylinder liner 42 can be produced by changing the operating force value and / or by relocating the point of application of the clamping force.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a workpiece 14, likewise in the form of a cylinder crankcase 44, which is fixed in a finishing device 12 by means of a clamping device 10 according to the invention in accordance with a second, alternative embodiment.
  • the clamping device 10 differs from that of FIG. 1 in that it is provided with a plurality of threaded elements 60, each of which serves to transmit an external clamping force, which is applied independently with respect to the workpiece 14, into the cylinder crankcase 44.
  • the each threaded element 60 screwed into an associated cylinder head threaded bore of the cylinder crankcase 44 is subjected to a tensile stress according to arrow 62, for example by means of an external hydraulic element (not shown in FIG.
  • the honing process can also be used to achieve a desired macrostructure in the cylinder liner 42. Due to the design of the honing tool 58, high-precision diameters in the cylinder liner 42 can also be reliably produced in large numbers. In addition to cylinder crankcases, the manufacture of high-precision cylinder bores is also used, for example, in injection pumps, hydraulic cylinders and similar components. The diameter range of such cylinder bores that can be produced by honing can extend from approximately 2 mm to a meter range. In the case of an internal combustion engine, the shape and size of the cylinder liner distortions that occur when the internal combustion engine is warm are more complex than when the internal combustion engine is cold.

Abstract

Die Spanneinrichtung (10) einer Feinbearbeitungsvorrichtung (12) dient zur Erzeugung einer definierten elastischen Verformung mindestens eines feinzubearbeitenden Werkstücks (14). Hierbei ist vorgesehen, dass die Spanneinrichtung (10) ein permanent variierbares Spannkrafterzeugungssystem (11) aufweist zur flexiblen Spannkraftwerteinstellung.

Description

Spanneinrichtung einer Feinbearbeitungsvorrichtung und Verfahren zum verformungsangepassten Feinbearbeiten eines Werkstücks unter Einsatz der Spanneinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Spanneinrichtung einer Feinbearbeitungsvorrichtung zur Erzeugung einer definierten elastischen Verformung mindestens eines feinzubearbeitenden Werkstücks, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum verformungsangepassten Feinbearbeiten eines Werkstücks unter Einsatz der Spanneinrichtung, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Aus der DE 28 10 322 OS ist eine Honmaschine mit einer Spanneinrichtung bekannt zur Erzielung einer definierten Spannwirkung insbesondere in einem zu honenden Zylinderblock eines Verbrennungsmotors. Hierdurch soll eine zu erwartende Verformung des Zylinderblocks bei der Endmontage eines zugehörigen Zylinderkopfes auf selbigen simuliert werden. Eine derartige montagebedingte Verformung eines Zylinderblocks wird auch als Kaltverformung bezeichnet. Mittels einer verformungsangepassten Honbearbeitung des Zylinderblocks können die sich im Rahmen einer Kaltverformung einstellenden Geometrieabweichungen des Werkstücks berücksichtigt und somit kompensiert werden. Die bekannte Honmaschine und insbesondere deren Spanneinrichtung ist nachteilig, da sie lediglich zur Simulation eines Endmontagezustands des Zylinderblocks geeignet ist und nicht den realen Betriebszustand desselben mit den sich ergebenden Geometrieabweichungen berücksichtigt . Somit ist die Spanneinrichtung nicht zu einer hinreichend genauen Simulation einer Mehrzahl an sich überlagernden Werkstückverformungen unterschiedlicher Ursache geeignet, so dass mittels der traditionell eingesetzten Honbearbeitung auch keine zufriedenstellende Kompensation der sich einstellenden geometrischen Abweichungen am Werkstück im realen Betriebszustand erzielt werden kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Spanneinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welcher eine flexible Simulation auch von sich überlagernden Werkstückverformungen unterschiedlichen Ursprungs möglich ist.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das zur Kompensation von an einem Werkstück real zu erwartenden Geometrieabweichungen mittels einer Feinbearbeitung desselben geeignet ist bei Einsatz der erfindungsgemäßen Spanneinrichtung.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Spanneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Die erfindungsgemäße Spanneinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein permanent variierbares Spannkrafterzeugungssystem aufweist, mit dem ein Spannkraftwert flexibel einstellbar ist . Hierdurch ist es möglich, eine flexible Simulierung einer bei Betriebseinsatz des Werkstücks zu erwartenden realen Verformung wenigstens eines Teilbereichs desselben Werkstücks zu erzeugen und somit eine entsprechende Kompensation von sich ansonsten einstellenden Geometrieabweichungen hinsichtlich einer anzustrebenden Werkstücksollgeometrie zu erzielen.
Mit Vorteil ist das Spannkrafterzeugungssystem zusätzlich hinsichtlich der Spannkrafteinleitungsstelle permanent variierbar. Dabei kann hierzu eine Relativbewegung des Spann- krafterzeugungssystems gegenüber dem Werkstück und/oder die Einleitung einer zusätzlichen Spannkraft an einer neuen Werkstückstelle beziehungsweise die Aussetzung einer vorliegenden Spannkrafteinleitung in das Werkstück erfolgen. Vorteilhafterweise ist das Spannkrafterzeugungssystem als in Bezug auf das Werkstück unabhängiges Druck- und/oder Zug- krafterzeugungssystem ausgebildet. Ein derartiges Spannkrafterzeugungssystem steht im Gegensatz zu einem aus der DE 28 10 322 OS bekannten System, das die Herstellung einer Schraubverbindung zwischen einem Spannteil und einem Werkstück erlaubt unter Ausbildung einer erwünschten Spannkraft, die beispielsweise derjenigen zwischen einem Zylinderblock und einem Zylinderkopf entspricht. Dabei basiert die Spannkrafthöhe ausschließlich1 auf dem sich einstellenden Anzugsdrehmoment der Schraubverbindung. Da das Anzugsdrehmoment eine einzige definierte Verformungssituation des Werkstücks endmontagegerecht simulieren soll, ist eine Veränderung desselben nicht vorgesehen und wenig sinnvoll. Dagegen wird mittels des er-' findungsgemäßen Spannkrafterzeugungssystems die Spannkraft (Druckkraft und/oder Zugkraft) unabhängig von der gewählten Verbindungsform mit dem Werkstück frei variierbar in selbiges eingeleitet. Beispielsweise kann als Verbindungsform ein Anlagekontakt eines Hydraulikzylinders zur Übertragung einer variierbaren Druckkraft in das Werkstück oder (alternativ beziehungsweise zusätzlich) eine Schraubverbindung mittels Gewindeelementen, wobei das jeweilige Gewinde lediglich zur Einleitung einer variierbaren, extern aufgebrachten Druck- o- der Zugkraft in das Werkstück dient .
Das Spannkrafterzeugungssystem enthält vorzugsweise eine Mehrzahl an Spannkrafterzeugungselementen, so dass eine zeitlich und räumlich flexible Übertragung von Druck- und/oder Zugspannkräften in das Werkstück möglich ist. Beispielsweise können hierzu mindestens zwei Spannkrafterzeugungselemente voneinander unabhängig einstellbar sein in Bezug auf einen jeweiligen Spannkraftbetriebswert und/oder auf eine jeweilige Spannkrafteinleitungsstelle in das Werkstück.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Spannkrafterzeugungselement als krafteinstellbarer Hydraulikzylinder oder als mit einer Spannkraft extern beaufschlagbares Gewindeele-. ment ausgebildet . In Abhängigkeit der zu erfüllenden Verformungsaufgabe am Werkstück kann ein flexibler Einsatz der genannten Funktionselemente oder auch andersartiger Funktions- elemente zur Krafterzeugung und -einleitung in das Werkstück vorgesehen werden.
Mit Vorteil ist zwischen dem Hydraulikzylinder und dem Werkstück eine Anpressplatte angeordnet, die mindestens eine an die Werkstückgeometrie angepasste Durchgangsöffnung aufweist zur Gewährleistung der Zugänglichkeit einer Werkstückwandung • für ein Feinbearbeitungswerkzeug. Hierdurch kann ein direkter Kontakt zwischen den Spannkrafterzeugungselementen und dem Werkstück und somit eine nicht erwünschte Beschädigung desselben bei der Spannkraftübertragung vermieden werden, da die Spannkraft mittels der geeignet ausgebildeten Anpressplatte verformungsgünstig in das Werkstück einleitbar ist. Beispielsweise kann die Anpressplatte an ihrer Werkstück- Kontaktfläche wenigstens teilweise mit einer Oberflächen- strukturierung versehen sein. Dabei kann die Oberflächen- strukturierung insbesondere in den Pressbereichen der Anpressplatte bördeiförmig oder .sickenförmig ausgebildet sein zur Gewährleistung einer das Werkstück wenigstens bereichsweise schonenden Anpressplattenfedersteifigkeit .
Die Spanneinrichtung kann eine Steuereinrichtung aufweisen mit einer Datenspeichereinheit zum Speichern von Soll-Daten hinsichtlich des zu erartenden Werkstückverzugs bei Inbetriebnahme des Werkstücks . Ferner kann die Spanneinrichtung eine Messeinrichtung enthalten zur Ermittlung der Ist-Daten des mittels der Spanneinrichtung tatsächlich erzeugten Werkstückverzugs. Dies ermöglicht die Durchführung einer automa- • tisierten und präzisen elastischen Verformung des Werkstücks mittels der Spanneinrichtung.
Die Feinbearbeitungsvorrichtung kann eine Honbearbeitungsvor- richtung und das Werkstück eine Zylinderlaufbuchse eines Zy-' linderkurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors oder ein anderes Funktionselement mit einer feinzubearbeitenden Zylinderbohrung sein. Die erfindungsgemäße Spanneinrichtung ist geeignet, sowohl einen sich bei der Endmontage einstellenden Kaitverformungszustand als auch einen bei Inbetriebnahme ü- berlagerten Warmverformungszustand einer Zylinderlaufbuchse zu simulieren. Dies ermöglicht eine Kompensation von ansonsten sich einstellenden, auf betriebsbedingte Verformungen zurückzuführenden Geometrieabweichungen der Zylinderlaufbuchse mittels einer verformungsangepassten Honbearbeitung derselben.
Ferner wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine bei Inbetriebnahme des Werkstücks zu erwartende reale Verformung ermittelt und/oder berechnet wird unter Bereitstellung von Werkstück-Verformungsdaten, die herangezogen werden zur Erzielung einer entsprechenden elastischen Vorverformung des Werkstücks mittels der Spanneinrichtung, und dass das vorver- formte Werkstück mittels eines Feinbearbeitungswerkzeugs ver- formungsangepasst feinbearbeitet wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, nicht nur einen einzigen Verformungszustand des Werkstücks herzustellen, der einen entsprechend definierten Werkstückbetriebszustand simuliert, sondern eine Vielzahl an unterschiedlichen, komplexen Werkstückverformungssituationen zu realisieren.
Mit Vorteil wird während der Feinbearbeitung des elastisch vorverformten Werkstücks mindestens eine zusätzliche elastische Weiterverformung des Werkstücks mittels der Spanneinrichtung erzeugt. Dabei kann die elastische Weiterverformung des Werkstücks in Abhängigkeit des Feinbearbeitungsprozess- fortschritts und insbesondere einer jeweiligen Bearbeitungsstellung des Feinbearbeitungswerkzeugs am Werkstück erfolgen. Beispielsweise kann während einer Honbearbeitung einer Zylinderlaufbuchse eines Kurbelgehäuses die komplexe Verformung derselben aufgrund einer sich überlagernden Kalt- und Warmverformung mittels der erfindungsgemäßen Spanneinrichtung in Abhängigkeit der jeweiligen Arbeitsposition des Honwerkzeugs im zu bearbeitenden Zylinderrohr der Zylinderlaufbuche verändert werden, so dass das fertigbearbeitete Zylinderrohr bei beziehungsweise nach der Inbetriebnahme des Kurbelgehäuses eine ideal runde Form einnimmt .
Gemäß einer möglichen Ausführungsvariante wird die Weiterverformung des Werkstücks mittels einer Änderung des Spannkraft- betriebswerts und/oder mittels einer Verlagerung der Spann- krafteinleitungsstelle erzeugt . Hierdurch wird eine an die jeweilige Werkstückform angepasste und die Verformungsaufg be erfüllende Spannkraftübertragung in das Werkstück ermöglicht.
Die Berechnung der Werkstück-Verformungsdaten kann mittels einer Finiten-Elemente-Methode erfolgen. Derartige Simulationsrechnungen eignen sich besonders zur theoretischen Bestimmung von messtechnisch praktisch nicht ermittelbaren Verformungen eines Werkstücks, wie zum Beispiel einer Zylinderlauf- buchse eines sich im Betrieb befindlichen und relativ komplex kalt- und warmverformten Kurbelgehäuses.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
Die Erfindung wird anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines mittels einer erfindungsgemäßen Spanneinrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform in einer Feinbearbeitungsvorrichtung fixierten Werkstücks und Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines mittels einer erfindungsgemäßen Spanneinrichtung entsprechend einer zweiten Ausführungsform in einer Feinbearbeitungsvorrichtung fixierten Werkstücks.
Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Spanneinrichtung 10 einer Feinbearbeitungsvorrichtung 12 zur Bearbeitung eines Werkstücks 14. Gemäß vorliegendem Ausführungsbei- spiel ist die Feinbearbeitungsvorrichtung 12 eine gemäß den Doppelpfeilen 50, 52 bewegbare Honvorrichtung mit einem Feinbearbeitungswerkzeug 26 in Form einer Honspindel 56 und eines Honwerkzeugs 58, während das Werkstück 14 ein Zylinderkurbelgehäuse 44 mit feinzubearbeitenden Zylinderlaufbuchsen 42 ist. Die Zylinderlaufbuchse 42 soll derart feinbearbeitet beziehungsweise gehont werden, dass im Betriebseinsatz des Zylinderkurbelgehäuses 44 in einem Verbrennungsmotor (nicht in den Figuren dargestellt) bei sich überlagernden Kalt- und Warmverformungen die sich ebenfalls verformende Zylinderlauf- buchse 42 eine im Querschnitt nahezu ideal runde Zylinderbohrung 46 bildet. Das Zylinderkurbelgehäuse 44 liegt auf einer Auflageplatte 48 auf und ist mittels der Spanneinrichtung 10 auf selbiger lagefixiert unter Ausbildung einer definierten elastischen Verformung der feinzubearbeitenden Zylinderlauf- buchse 42. Hierzu weist die Spanneinrichtung 10 eine Mehrzahl an' insbesondere unabhängig voneinander einstellbaren Spann- krafterzeugungselementen 16 in Form von Hydraulikzylindern 18 auf, wobei in Figur 1 lediglich zwei Hydraulikzylinder 18 dargestellt sind.
Die Hydraulikzylinder 18 leiten jeweils eine definierte und gegebenenfalls variierbare Spannkraft in Form einer Druckkraft (Pfeil 54) in eine Anpressplatte 20, welche zylinder- kopfseitig auf dem Zylinderkurbelgehäuse 44 aufliegt und somit die Druckkräfte 54 auf letztere übertragt. Dies führt zu einer definierten und gegebenenfalls variierbaren elastischen Verformung der mittels des Honwerkzeugs 58 feinzubearbeitenden Zylinderlaufbuchse 42. Die sich jeweils einstellende Verformung der Zylinderlaufbuchse 42 wird mittels einer Messeinrichtung 36 vorzugsweise kontinuierlich ermittelt (Pfeil 40) und die entsprechenden Verformungsdaten an eine Steuereinrichtung 30 übertragen (Pfeile 38, 34) , welche zur Steuerung oder Regelung der Kraftaufbringung mittels der Hydraulikzylinder 18 dient (Pfeil 32) . Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 30 auch mit einem Werkzeugpositioniersystem der Feinbearbeitungsvorrichtung 12 derart operativ verbunden, dass die Druckkrafteinstellung in Abhängigkeit einer jeweiligen BearbeitungsStellung des Honwerkzeugs 58 relativ zur Zylinderlaufbuchse 42 variiert werden kann zur Erzielung einer entsprechend veränderten Werkstückverformung auch während des Feinbearbeitungsprozesses. Die Spanneinrichtung 10 weist somit zur flexiblen Spannkraftwerteinstellung ein permanent variierbares Spannkrafterzeugungssystem 10 auf, wobei gegebenenfalls zusätzlich auch die Spannkrafteinleitungsstelle permanent variiert werden kann. Die konstruktive Ausbildung und somit auch die Wirkung der Anpressplatte 20 auf das Werkstück 14 ist während eines Honvorgangs nicht veränderbar. Die Anpresskraft eines jeweiligen Hydraulikzylinders 18 kann jedoch bis in den Millisekundenbereich verändert beziehungsweise geregelt werden.
Die Anpressplatte 20 weist mehrere an die Werkstückgeometrie angepasste Durchgangsöffnungen 22 auf zur Gewährleistung der Zugänglichkeit einer entsprechenden Werkstückwandung 24 für das Honwerkzeug 58. Gegebenenfalls kann die Anpressplatte 20 an ihrer Werkstück-Kontaktfläche 28 wenigstens teilweise mit einer Oberflächenstrukturierung und/oder -beschichtung versehen sein (nicht in Figur 1 dargestellt) . Dabei soll mittels der Anpressplatte 20 ein Zylinderkopf simuliert werden, wobei die Oberflächenstrukturierung beziehungsweise -beschichtung hinsichtlich ihres elastischen Verformungsverhaltens eine Zylinderkopfdichtung ersetzen soll. Die Anpressplatte 20 kann sich je nach Ausführungsbeispiel teilweise oder auch voll- ständig über die zylinderkopfseitige Fläche des Zylinderkurbelgehäuses 44 erstrecken.
Bei Einsatz der Spanneinrichtung 10 ist somit eine verfor- mungsangepasste Feinbearbeitung des Werkstücks 14 beziehungsweise der Zylinderlaufbuchse 42 möglich. Hierzu wird bei Inbetriebnahme des Zylinderkurbelgehäuses 44 die zu erwartende reale Verformung einer jeweiligen Zylinderlaufbuchse 42 ermittelt und/oder berechnet unter Bereitstellung von Werkstück-Verformungsdaten. Die Berechnung der Werkstück- Verformungsdaten kann beispielsweise mittels einer Finiten- Elemente-Methode erfolgen. Die erhaltenen Verformungsdaten werden herangezogen zur Erzielung einer entsprechenden elastischen Vorverformung der feinzubearbeitenden Zylinderlauf- buchse 42 mittels der Spanneinrichtung 10. Die geeignet elastisch vorverformte Zylinderlaufbuchse 42 wird anschließend mittels des Honwerkzeugs 58 verformungsangepasst feinbearbeitet. Gegebenenfalls können während des Feinbearbeitungsprozesses eine oder mehrere zusätzliche elastische Weiterverformungen an der Zylinderlaufbuchse 42 mittels der Spanneinrichtung 10 erzeugt werden. Dabei kann eine elastische Weiterverformung beispielsweise in Abhängigkeit des Feinbearbeitungs- prozessfortschritts erfolgen. Die Weiterverformung der Zylinderlaufbuchse 42 kann mittels einer Änderung des Spannkraftbetriebswerts und/oder mittels einer Verlagerung der Spann- krafteinleitungsstelle erzeugt werden.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Werkstück 14 ebenfalls in Form eines Zylinderkurbelgehäuses 44, das mittels einer erfindungsgemäßen Spanneinrichtung 10 entsprechend einer zweiten, alternativen Ausführungsform in einer Feinbearbeitungsvorrichtung 12 fixiert ist. Dabei unterscheidet sich die Spanneinrichtung 10 von derjenigen der Figur 1 dadurch, dass sie mit einer Mehrzahl an Gewindeelementen 60 versehen ist, die jeweils dazu dienen, -eine in Bezug auf das Werkstück 14 unabhängig aufgebrachte, externe Spannkraft in das Zylinderkurbelgehäuse 44 zu übertragen. Hierzu wird das jeweilige, in einer zugehörigen Zylinderkopfgewindebohrung des Zylinderkurbelgehäuses 44 eingeschraubte Gewindeelement 60 beispielsweise mittels eines externen Hydraulikelements (nicht in Figur 2 dargestellt) gemäß Pfeil 62 einer Zugbeanspruchung unterzogen, so dass das Zylinderkurbelgehäuse 44 gegen eine an selbige anliegende Anpressplatte 20 gedrückt wird. Die Anpressplatte 20 stützt sich ihrerseits an einer ortsfesten Auflageplatte 48 derart ab, dass gemäß den Pfeilen 64 auf das Zylinderkurbelgehäuse 44 wirkende Drückkräfte gebildet werden. Die Druckkräfte 64 entsprechen somit den in das Zylinderkurbelgehäuse 44 übertragenen Anpresskräften, mittels welchen eine definierte Verformung der Zylinderlauf- buchse 42 erzielt werden kann.
Der weitere konstruktive Aufbau und die Funktionsweise der Spanneinrichtung 10 und der Feinbearbeitungsvorrichtung 12 stimmen der Ausführungsform der Figur 1 überein, so dass auf eine diesbezügliche eingehendere Beschreibung verzichtet wird.
Mittels des Honverfahrens kann neben einer vorteilhaften Mik- rostruktur auch eine erwünschte Makrostruktur in der Zylinderlaufbuchse 42 erzielt werden. Aufgrung der Ausbildung des Honwerkzeugs 58 können hochgenaue Durchmesser in der Zylinderlaufbuchse 42 auch in großer Stückzahl prozesssicher hergestellt werden. Die Herstellung hochgenauer Zylinderbohrungen findet außer bei Zylinderkurbelgehäusen beispielsweise auch bei Einspritzpumpen, Hydraulikzylindern und ähnlichen Bauteilen Anwendung. Der Durchmesserbereich derartiger mittels einer Honbearbeitung herstellbarer Zylinderbohrungen kann sich von ungefähr 2 mm bis in einen Meter-Bereich erstrecken. Im Falle eines Verbrennungsmotors sind die sich einstellenden Zylinderlaufbuchsenverzüge bei betriebswarmem Verbrennungsmotor hinsichtlich ihrer Form und Größe komplexer als bei betriebskaltem Verbrennungsmotor. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass die Zylinderlaufbuchsen mit Brenngasen beaufschlagt werden und somit stärker erwärmt wer- den als das umliegende Kurbelgehäusematerial . Ferner ergeben sich aufgrund einer ungleichförmigen Erwärmung unterschiedliche Verformungen in Längsrichtung der Zylinderlaufbuchsen (Kolbenhubrichtung) sowie in Umfangsrichtung der Zylinderlaufbuchse, wenn selbige nicht umlaufend gekühlt wird. Mittels der erfindungsgemäßen Feinbearbeitungsvorrichtung 12 und insbesondere der Spanneinrichtung 10 lassen sich prozesssicher reproduzierbar in Zylinderbohrungsumfangsrichtung auftretende Verformungen zweiter Ordnung (Ovalitat) , vierter Ordnung (Kleeblattform bei vier Zylinderkopfschrauben pro Zylinder) oder noch höherer Ordnung nahezu vollständig kompensieren.

Claims

Patentansprüche
Spanneinrichtung (10) einer Feinbearbeitungsvorrichtung (12) zur Erzeugung einer definierten elastischen Verformung mindestens eines feinzubearbeitenden Werkstücks (14), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Spanneinrichtung (10) ein permanent variierbares Spannkrafterzeugungssystem (11) aufweist, mit dem ein Spannkraftwert flexibel einstellbar ist.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Spannkrafterzeugungssystem (11) zusätzlich hinsichtlich der Spannkrafteinleitungsstelle permanent variierbar ist.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Spannkrafterzeugungssystem (11) als in Bezug auf das Werkstück (14) unabhängiges Druck- und/oder Zugkraft- erzeugungsSystem ausgebildet ist.
Spanneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Spannkrafterzeugungssystem (11) eine Mehrzahl an Spannkrafterzeugungselementen (16) aufweist.
5. Spanneinrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens zwei Spannkrafterzeugungselemente (16) voneinander unabhängig einstellbar sind in Bezug auf einen jeweiligen Spannkraftbetriebswert und/oder auf eine jeweilige Spannkrafteinleitungsstelle in das Werkstück (14) .
6. Spanneinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Spannkrafterzeugungselement (16) als krafteinstellbarer Hydraulikzylinder (18) oder als mit einer Spannkraft extern beaufschlagbares Gewindeelement (60) ausgebildet ist.
7. Spanneinrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen dem Hydraulikzylinder (18) und dem Werkstück (14) eine Anpressplatte (20) angeordnet ist, die mindestens eine an die Werkstückgeometrie angepasste Durchgangsöffnung (22) aufweist zur Gewährleistung der Zugänglichkeit einer Werkstückwandung (24) für ein Feinbearbeitungswerkzeug (26) .
8. Spanneinrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Anpressplatte (20) an ihrer Werkstück- Kontaktfläche (28) wenigstens teilweise mit einer Ober- flächenstrukturierung versehen ist.
9. Spanneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie eine Steuereinrichtung (30) aufweist mit einer Datenspeichereinheit zum Speichern von Soll-Daten hinsichtlich des zu erartenden Werkstückverzugs bei Inbetriebnahme des Werkstücks (14) .
10. Spanneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie eine Messeinrichtung (36) aufweist zur Ermittlung der Ist-Daten des mittels der Spanneinrichtung (10) tatsächlich erzeugten Werkstückverzugs.
11. Spanneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Feinbearbeitungsvorrichtung (12) eine Honbear- beitungsVorrichtung ist .
12. Spanneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Werkstück (14) eine Zylinderlaufbuchse (42) eines Zylinderkurbelgehäuses (44) eines Verbrennungsmotors oder ein anderes Funktionselement mit einer feinzubearbeitenden Zylinderbohrung (46) ist.
13. Verfahren zum verformungsangepassten Feinbearbeiten eines Werkstücks (14) unter Einsatz der Spanneinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine bei Inbetriebnahme des Werkstücks (14) zu erwartende reale Verformung ermittelt und/oder berechnet wird unter Bereitstellung von Werkstück-Verformungsdaten, die herangezogen werden zur Erzielung einer entsprechenden elastischen Vorverformung des Werkstücks (14) mittels der Spanneinrichtung (10) , und dass das vorverformte Werkstück (14) mittels eines Feinbearbeitungswerkzeugs (26) verformungsangepasst feinbearbeitet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass während der Feinbearbeitung des elastisch vorver- formten Werkstücks (14) mindestens eine zusätzliche elastische Weiterverformung des Werkstücks (14) mittels der Spanneinrichtung (10) erzeugt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h ge k e n n z e i c h n e t , dass die elastische Weiterverformung des Werkstücks (14) in Abhängigkeit des Feinbearbeitungsprozessfortschritts erfolgt .
16. Verfahren nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die elastische Weiterverformung des Werkstücks (14) in Abhängigkeit einer jeweiligen Bearbeitungsstellung des Feinbearbeitungswerkzeugs (26) am Werkstück (14) erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Weiterverformung des Werkstücks (14) mittels einer Änderung des Spannkraftbetriebswerts und/oder mittels einer Verlagerung der Spannkrafteinleitungsstelle erzeugt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Berechnung der Werkstück-Verformungsdaten mittels einer Finiten-Elemente-Methode erfolgt.
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