WO2016131735A1 - Honverfahren und bearbeitungsmaschine zum formhonen - Google Patents

Honverfahren und bearbeitungsmaschine zum formhonen Download PDF

Info

Publication number
WO2016131735A1
WO2016131735A1 PCT/EP2016/053086 EP2016053086W WO2016131735A1 WO 2016131735 A1 WO2016131735 A1 WO 2016131735A1 EP 2016053086 W EP2016053086 W EP 2016053086W WO 2016131735 A1 WO2016131735 A1 WO 2016131735A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
honing
bore
torque
spindle
stroke
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/053086
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fabio Antonio XAVIER
Joachim Weiblen
Florian KRANICHSFELD
Oliver Bachmann
Original Assignee
Elgan-Diamantwerkzeuge Gmbh & Co. Kg
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 Elgan-Diamantwerkzeuge Gmbh & Co. Kg filed Critical Elgan-Diamantwerkzeuge Gmbh & Co. Kg
Priority to EP16704231.6A priority Critical patent/EP3259098B1/de
Publication of WO2016131735A1 publication Critical patent/WO2016131735A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B24B33/02—Honing machines or devices; Accessories therefor designed for working internal surfaces of revolution, e.g. of cylindrical or conical shapes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B24B33/06—Honing machines or devices; Accessories therefor with controlling or gauging equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B24B33/08—Honing tools
    • B24B33/083—Honing tools with different sets of honing stones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/16—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation taking regard of the load

Definitions

  • the invention relates to a honing process for machining the inner surface of a bore in a workpiece by means of at least one honing operation according to the preamble of claim 1, as well as a processing machine configured for carrying out the honing process according to the preamble of claim 14.
  • a preferred application is the honing of cylinder surfaces in the Production of cylinder blocks or cylinder liners for reciprocating engines.
  • Honing is a machining process with geometrically indeterminate cutting edges.
  • an expandable honing tool is reciprocated within the bore to be machined to produce a stroke in the axial direction of the bore with a stroke frequency and simultaneously rotated to produce a rotational movement superimposed on the stroke with a presettable rotational speed.
  • the cutting material bodies attached to the honing tool are delivered via a feed system with a feed force and / or delivery speed acting radially to the tool axis and pressed against the inner surface to be machined.
  • a cross-cut pattern typical for honing is usually produced on the inner surface with intersecting machining marks, which are also referred to as "honing marks".
  • the friction ratio of the piston group can be up to 35%, so that a reduction in friction in this area is desirable.
  • a technology that is becoming increasingly important for the reduction of friction and wear is the avoidance or reduction of cylinder distortions or deformations of the engine block (cylinder crankcase) during assembly and / or operation.
  • a cylinder bore should typically have a bore shape that is as small as possible, e.g. a few micrometers, deviates from an ideal circular cylinder shape.
  • significant form errors can occur, which can be up to several hundredths of a millimeter and reduce the performance of the engine.
  • the causes of distortions or deformations are different. It may be static or quasi-static thermal and / or mechanical loads or dynamic loads.
  • the construction and design of cylinder blocks also influence the tendency to deform.
  • the sealing function of the piston ring package is typically degraded by such hard-to-control deformations, which can increase blow-by, oil consumption and friction.
  • the so-called form honing also referred to as freeform honing, is a technology which, by inverting the cylinder distortions (generation of a negative shape of the defect) during machining, is intended to ensure or approximate the formation of an ideal shape after assembly or in the operating condition of the engine.
  • a defined by the circular cylindrical shape bore shape is generated at the unstrained workpiece by honing.
  • Such bore shapes are usually asymmetric in the axial direction and / or in the circumferential direction, because the deformations of the cylinder block are usually not symmetrical. In the operating state, the most ideal circular cylindrical shape should result, so that the piston ring package can seal well over the entire bore circumference.
  • WO 2014/146919 A1 describes a honing method for shaping, in which a bottle-shaped bore which is rotationally symmetrical relative to the bore axis is produced which is narrower in the vicinity of the bore entry than farther from the bore entry.
  • a honing tool with axially relatively long honing stones is used.
  • To produce an axially varying material removal in a Hubver provides for a tool to produce an axially varying material removal in a Hubver.
  • honing tools are described which have at least one annular cutting group with cutting material bodies, which are designed as wide in the circumferential direction and narrow in the axial direction Honsegmente.
  • bore shapes with an axial contour can be processed particularly precisely and economically.
  • torque constancy is not to be understood mathematically, minor torque variations over time and / or over the stroke position within a relatively narrow torque window around a torque set point are permitted in particular considered to be “substantially constant” if a deviation of the torque detected by a stroke from a desired torque value is less than 15%, in particular less than 10% or less than 5%.
  • the processing machine or its control device can comprise a device for setting a torque output value and a torque window about the torque setpoint.
  • the torque limits (lower and upper limits of the permissible torque for the process or minimum and maximum torque) can be input to the controller via two separate parameters. It would also be possible to enter a torque setpoint and a window width as parameters.
  • a stroke length dependent variation in the speed of the honing tool is generated such that the speed is reduced as the stroke length is reduced.
  • the honing operation is thus carried out at least in phases at variable speed.
  • This variant can also be referred to as forming honing with process-integrated speed control. If the speed reduced with decreasing stroke length, relatively uniform engagement conditions between cutting material body and bore inner wall can be maintained, so that the desired axially varying material removal can be achieved.
  • the stroke-dependent change in the rotational speed can take place in accordance with a predetermined speed change function. If the desired stroke change via the honing operation is specified for the honing process, the adapted speed curve or the corresponding be entered by the operator before the honing operation and then carried out automatically by means of a feed-forward control of the processing machine. For example, if during a stroke change phase, the stroke length is continuously reduced in uniform steps, the speed can be reduced continuously or in steps. Even more complicated relationships between stroke length and speed can be preset if required.
  • a control of the torque of a spindle drive provided for rotating the spindle is provided.
  • a feedback path is set up in which the variable (torque) to be influenced is detected directly or indirectly and the honing operation is controlled based on the values of the detection such that the torque remains substantially constant or within a predeterminable, relatively narrow range Torque window stops.
  • a regulation of the torque is realized in that on the spindle drive the current torque of the spindle drive representative torque signal detected and compared with a desired value of the torque representing setpoint signal to determine a Soliwertabweichung and that the control of the torque of the spindle drive in Dependence on the setpoint deviation takes place.
  • the torque signal can be generated, for example, via the electrical power consumption of a servo drive or another electric drive. Also, force measurements on or in the honing tool are possible.
  • a desired course of the desired value of the torque for a honing operation is predetermined and a rotational speed of the spindle is controlled in accordance with the soil profile.
  • a desired torque window can be defined by specifying a minimum and a maximum allowable torque.
  • the speed can be increased or reduced so that the torque remains within the predetermined torque window.
  • the speed can be reduced and the speed can be increased when the setpoint torque is exceeded.
  • the speed can vary between programmable minimum values and maximum values for the speed.
  • Another way to influence the honing result is a targeted control of Hubverlagerung.
  • a position of an upper reversal point and / or a position of a lower reversal point of a stroke movement is changed in accordance with a default.
  • the stroke length i. the axial length between the upper and lower reversal point can be varied.
  • an improvement in the constancy of the torque may possibly result in comparison with a variant in which, for example, only the upper reversal point is changed.
  • this shape variant can be produced or introduced by a stroke-dependent, variable delivery.
  • a delivery force and / or a delivery speed of cutting material bodies of the honing tool are controlled in dependence on the stroke position of the honing tool.
  • a variable KrafWWeg Griffinung can be used for contouring or contribute.
  • a trumpet shape or a bell shape or bottle shape or a cone shape of a bore can be produced particularly well with this variant.
  • a generation of the desired contour alone means Hubverlagerung may not be sufficient in such cases.
  • the delivery force or the delivery speed is varied as a function of the stroke position, ideally both in the downstroke and in the upstroke, even more complex bore shapes can be produced well.
  • the variable force A / Veg control can be combined with a stroke displacement.
  • a trumpet shape For generating special shapes, such as a trumpet shape, it may be useful if multiple stroke positions can be programmed or specified with different Aufweit originallyn. For example, it is possible to generate a trumpet shape through smaller distances of the stroke position (number and position preferably freely selectable) and constant force / Vegregelung.
  • the honing process can be carried out with differently designed honing tools.
  • an expandable honing tool is used during machining, which has an expandable, annular cutting group with several distributed around the circumference of the tool body Schneidstoffkör- pern in an off-spindle end portion, wherein an axial length of the cutting material body is smaller than the effective outer diameter of the annular cutting group at fully retracted cutting bodies.
  • honing tool is also referred to as an "annular tool.”
  • annular cutting groups and with simple expansion or double expansion are given in WO 2014/146919 A1
  • piezoelectric-controlled honing tools can also be used as an alternative.
  • the invention also relates to a processing machine configured to carry out the honing process. It may be a specialized honing machine or another machine tool that provides the functionality required here.
  • FIG. 1 shows schematically the front view of a honing machine, which can be used to carry out various variants of the honing process
  • FIG. 2 shows in FIG. 2A a longitudinal section and in FIG. 2B an axial view of a honing tool which can be used for carrying out different variants of the honing process;
  • FIG. 3 shows a schematic longitudinal section through an exemplary embodiment of a cylindrical conical bore with an axial contour
  • Fig. 4 is a diagram in which for a reference honing operation, the stroke position of the honing tool, the rotational speed of the spindle and the torque of the spindle drive are plotted;
  • 5 is a measurement diagram of a honed hole with deviations in shape at the wide end of the hole.
  • FIG. 6 shows a diagram of a method variant with a linear speed reduction during the Hubver Sungsphase.
  • FIG. 8 shows a diagram of a variant of the method with an independent stroke displacement at the upper reversal point and at the lower reversal point.
  • a honing machine 100 is shown schematically, which can be used in various embodiments of inventive method for processing of inner surfaces of holes in workpieces as a processing machine to perform on the one hand in a conventional manner, one or more honing operations on the workpiece and on the other To carry out embodiments of inventive honing process on the same workpiece.
  • a clamping plate 104 On the machine bed 102 of the honing machine, a clamping plate 104 is fixed, which carries a workpiece 106 clamped thereon, which in the example is an engine block (cylinder crankcase) of a multi-cylinder internal combustion engine.
  • a workpiece 106 clamped thereon which in the example is an engine block (cylinder crankcase) of a multi-cylinder internal combustion engine.
  • engine block cylinder crankcase
  • the cylinder running surfaces formed by the inner surfaces of the cylinder bores are subjected to a quality-determining finishing on the honing machine, in which Both the macro-shape of the cylinder surfaces, as well as the surface topography is produced by suitable honing operations.
  • honing unit 110 In honing machine 100, two essentially identical honing units 110, 112 are mounted on a portal-like support structure 108, which can be used alternately or simultaneously during workpiece machining. Their structure is explained in more detail with reference to the honing unit 110.
  • the honing unit comprises a spindle box 1 14 fastened on the support structure, which carries the honing spindle 116 serving as a tool spindle of the processing machine.
  • the honing spindle can be rotated about its longitudinal axis (spindle axis) by means of a spindle drive 1 18 attached to the headstock.
  • the spindle drive has a servomotor, which u.a. with respect to its speed and the torque generated is controllable.
  • a joint rod 120 is attached, at the lower, free end of which the honing tool 200 serving as a machining tool is mechanically coupled to a limited extent, e.g. via a bayonet connection.
  • a joint rod 120 is attached, at the lower, free end of which the honing tool 200 serving as a machining tool is mechanically coupled to a limited extent, e.g. via a bayonet connection.
  • the honing tool 200 serving as a machining tool is mechanically coupled to a limited extent, e.g. via a bayonet connection.
  • a different type of drive rod e.g. a bending rod to be chosen.
  • a limited movable mechanical coupling and a rigid coupling of the honing tool is possible.
  • a mounted on the headstock 1 14 linear actuator 124 causes the vertical movement of the honing spindle when inserting the tool into the workpiece or when pulling out of the workpiece and is controlled during honing so that the honing tool within the bore of the workpiece parallel to the spindle axis, vertical Running back and forth. Stroke length and stroke position are adjustable by input.
  • the honing machine is equipped with feed system 140, which comprises two independently operable feed devices which can be assigned to different sets of working elements on the honing tool.
  • a hydraulically actuatable second adjusting device comprises a hydraulic cylinder in which a piston which can be acted upon by hydraulic pressure on both sides and which is attached to one end of a pressure rod 152 is seated. Accordingly, it can be controlled in both directions by controlling the hydraulic pressure within the hydraulic cylinder parallel to its longitudinal axis. This expansion can also be provided with a servomotor - force-controlled or path-controlled.
  • the massive push rod 152 is disposed within a hollow push rod 162 coaxial therewith and movable relative thereto.
  • the hollow push rod belongs to an electromechanical first delivery system, the drive is formed by an electric stepper motor, the via a gear on the outer, hollow push rod 162 acts to move them parallel to the common axis of the push rods up and down.
  • This expansion can also be provided with a servomotor - force-controlled or path-controlled.
  • the spindle drive 118, the linear actuator 124 and the drives of the feed system 140 are connected to a control device 180, which is a functional part of the machine control and can be operated via an operating device 190.
  • the following process parameters can be set via the operating device:
  • the honing tool 200 has a single cutting group annularly attached to the tool body with cutting bodies distributed around the circumference of the tool body, which are delivered in the radial direction by means of an associated cutting material body feed device can be withdrawn.
  • the cutting material bodies are designed as Honsegmente whose width in the circumferential direction is significantly greater than their length in the axial direction.
  • the material bodies responsible for the material removal on the workpiece are concentrated in an axially relatively narrow zone (a ring of the cutting group) and occupy a relatively large portion of the circumference s of the honing tool.
  • bore shapes can be produced with relatively high material removal performance, in which bore sections of different diameters adjoin one another in the axial direction. Due to the annular arrangement of the cutting material body, the honing tool is referred to in this application as "ring tool”.
  • the honing tool 200 has a tool body 210 that defines a tool axis 212 that is also the axis of rotation of the honing tool during honing.
  • a coupling structure not shown for coupling the honing tool to a drive rod of a honing machine or other processing machine, which has a spindle which is both about the spindle axis rotatable and parallel to the spindle axis oscillating is movable back and forth.
  • the honing tool is coupled in an articulated manner to the honing spindle or a joint rod in order to allow limited mobility of the honing tool relative to the honing spindle.
  • a multiaxial joint is formed on the spindle-side end of the honing tool, for example a gimbal joint or a ball joint.
  • the annular cutting group 220 which has several (in the example, three) evenly distributed over the circumference of the tool body Schneidstoff Sci 220-1, 220-2, 220-3, which by means of Cutting material body feed device radially to the tool axis 212 can be delivered to the outside to press the abrasive outer sides of the Schneidstoffköpers with a defined pressing force or pressing force against the inner surface of a bore to be machined.
  • Each of the three arcuate cutting material bodies is designed as a very wide in the circumferential direction, in contrast, in the axial direction narrow Honsegment which covers a circumferential angle range between 90 ° and 110 °.
  • the honing segments are decoupled from the tool body and displaceable radially relative to the tool axis 212.
  • the ring formed by the hearing segments closes on the side facing away from the spindle almost flush or flush with the tool body.
  • the ring sits completely within the spindle facing away quarter of the tool body at the spindle end facing away from the ring tool.
  • the axial length of the cutting material body defines here the axial length of the cutting area.
  • the axial length LHS of the segments is less than 35%, in particular less than 15% of the bore length.
  • the Honsegmente are about 5 mm to 90 mm, in particular about 10 mm to 70 mm high (in the axial direction), which in the example between 5% and 50%, in particular between 10% and 20% or 30% of the effective outer diameter of the cutting group (for fully retracted cutting materials) corresponds.
  • the axial length LHS corresponds here simultaneously to the axial length of the entire cutting region of the honing tool.
  • Each cutting material body is fixed to an outside of an associated support bar 224-1, 224-2 made of steel by soldering.
  • the cutting material body can also be attached by gluing or by screws, whereby an easier replacement is possible.
  • each support strip carries only one circular segment-shaped cutting material body. On a support strip and several individual cutting strips can be attached.
  • Each support bar has on its inner side an inclined surface which cooperates with a conical outer surface of an axially displaceable, tubular or internally hollow feed cone 232 in such a way that the Tragieisten be delivered with the cutting material carried therefrom radially outward when the Zustellkonus means of a machine side Feed device against the force of (not shown) return springs in the direction of the end facing away from the spindle of the ring tool is pressed.
  • the supporting strips with the honing segments are brought back radially inward with the aid of circulating return springs. The radial position of the cutting material body is thereby controlled without play on the axial position of the Zustellkonus 232.
  • FIG. 3 shows a schematic longitudinal section through an exemplary embodiment of such a bore 310 in a workpiece 300 in the form of an engine block (cylinder crankcase) for an internal combustion engine.
  • the desired shape of the bore is rotationally symmetric with respect to its bore axis 312 and extends over a bore length L from a bore entry 314 facing the cylinder head in the installed state to the bore exit 316 at the opposite end.
  • the bore may be subdivided into a plurality of adjoining sections of different function, which are slidable, i. without formation of steps or edges, merge into each other.
  • a first bore portion 320 at the entrance end has a first diameter D1 and a first length L1.
  • the first diameter is present over the entire first length L1, so that the first bore portion has a circular cylindrical shape.
  • the first bore section merges into an axially narrow transition section 325 with transition radius R1 steplessly into a second bore section 330, which extends from the transition section to the exit-side end of the bore.
  • the second bore portion 330 has a substantially conical or frusto-conical shape and extends over a second length L2.
  • the second bore portion has an inner diameter (second diameter) D2 throughout which is larger than the first diameter D1, the second diameter continuously increasing linearly from the transition portion (approximately the first diameter) toward the bore end.
  • the cone angle ⁇ (angle between the bore axis and a generatrix of the second bore portion in an axial plane) may be e.g. in the range of less than 5 °, even at less than 1 °, possibly even at 0.2 ° or below.
  • the first length L1 may for example be between 10% and 60% of the bore length L.
  • the second length L2 is typically greater than the first length and is often between 30% and 80% of the bore length L.
  • the transition section is very short compared to the adjacent bore sections. Even deviations from these geometrical conditions are possible.
  • the difference in diameter between the first diameter D1 and the second diameter D2 in parts remote from the inlet is clearly outside the tolerances typical for the honing process, which are for a cylindrical shape in the order of a maximum of 10 ⁇ m (based on the diameter). With an absolute value of the inner diameter in the order of between 50 mm and 500 mm (the latter eg in marine engines), the maximum difference in diameter may be, for example, between 20 ⁇ and 500 ⁇ .
  • the lengths of the outer bore sections and the radius of the transition section may be optimized to provide low blow-by, low oil consumption, and low piston ring wear in typical engine operating conditions.
  • the shape of the bore causes the bore in the region near the inlet to be comparatively narrow, so that the piston rings of the piston running in the bore are pressed against the bore inner surface 318 under high hoop stress.
  • the piston accelerated by the combustion then moves in the direction of the bore exit, wherein the piston rings first pass through the transition section and then the conical second bore section with the continuously expanded inner diameter. From the transition section, the piston rings can gradually relax, with the seal remaining sufficient because the pressure difference across the piston rings decreases.
  • the ring package reaches its lowest voltage.
  • Fig. 4 shows by way of example a resulting diagram in which on the x-axis honing time t H (in seconds) honing operation and on the y-axis in common application, the stroke position HP of the honing tool, the rotational speed DZ of the spindle and the torque DM the spindle or the spindle drive are applied.
  • the speed DZ was ramped up to a steady state in a start-up phase and then remained constant throughout the honing operation.
  • the stroke control was adjusted so that in an initial first honing phase PH1 the stroke length was so great that the honing tool processed the entire bore length, that is, both the first bore portion and the second bore portion, by means of the two annular complete cutting groups by means of two complete double strokes.
  • a subsequent second honing phase PH2 was programmed as a stroke change phase in which the stroke position of the honing tool changes from stroke to stroke.
  • stroke position refers to the area between the upper Um Kunststofftician UO a lifting movement (near the hole entry) and the lower Um Kunststofftician UU the lifting movement closer to the entry distal end bore relative to a machine-fixed coordinate system
  • the lower Um Kunststofftician UU was kept constant, while the upper Um Kunststofftician UO was changed by the controller incrementally (adjustable Hubinkrement) in the direction of the lower Um Kunststoffticians, so that the Hubicarde was gradually reduced from hub to hub
  • constant widening that is, constant feed speed
  • the torque averaged over the stroke DM fluctuated relatively more than more than two thirds of the variable stroke second honing phase HP2 within a narrow torque window (in the example between about 60% and about 70% of a reference value.
  • the reference value 100% corresponds in this case to the nominal torque of the spindle drive.
  • FIG. 5 shows, by way of example, a measurement diagram of a bore honed in this manner (bore length approximately 100-150 mm) with a desired geometry corresponding to FIG. 3.
  • a form conspicuity FA to be recognized which extends to about 10 mm to 15 mm in length and is attributed to the said effects of the free cutting and the reduction of the tool stabilization.
  • Unwanted free cutting of the honing tool is prevented over the entire bore length, in particular also in the critical phase discussed above towards the end of the honing operation, in which the entry-distant region is processed with relatively small strokes.
  • the speed can be changed incrementally from hub to hub.
  • DZI (DZ1 - DZ2) / Hl from the ratio between the difference between the starting rotational speed DZ1 and the final rotational speed DZ2 divided by the stroke intervals Hl.
  • DZI (DZ1 - DZ2) / H
  • the processing machine was set up so that the spindle speed could be controlled by a freely programmable setpoint torque over the entire bore length to be honed.
  • a corresponding diagram for the time dependence of the stroke position HP, the rotational speed DZ and the averaged spindle torque DM is shown in FIG.
  • the control system is programmed so that in a process-related torque change, an automatic change in the speed takes place so that the torque controls the speed. If the actual torque falls below a lower limit of a torque window DMF, the speed DZ is reduced so that the actual speed is smaller than the target speed. Conversely, the actual speed is raised above the value of the target speed when the current actual torque exceeds the target torque by more than an allowable amount and moves upward from the torque window DMF.
  • Another possibility for favorably influencing a Formhonoperation for generating an axial contour curve is to allow or specify an independent Hubverlagerung at the upper reversal point UO and at the lower reversal point UU.
  • the axial position of the lower reversal point could remain constant throughout the Hubver selectedungsphase (second honing phase PH2), while the upper reversal point approaches the lower reversal point incrementally, so that the stroke length is reduced from hub to hub with unchanged position of the lower reversal point (eg similar as in the process control in Fig. 6 or Fig. 7). This can be sufficient in many cases.
  • the honing operation begins with a first honing phase PH1 in which, as in the other examples, the honing tool processes the entire bore length with a correspondingly large stroke. Then it switches to the second honing phase PH2. During the second honing phase, the upper reversal point UO is incrementally shifted from hub to hub in the direction of the bore distal end.
  • the lower reversal point UU is immediately after the end of the first honing phase PH1 is raised above its desired value at the end of the second honing phase (horizontal dashed line), so that the stroke length is shorter than in a comparable case without changing the position of the lower reversal point. Then the position of the lower reversal point is incrementally lowered from hub to hub until the lower reversal point reaches its desired position also at the end of the second honing phase.
  • the lower stroke position can be lowered, for example, by about 0.1 mm / stroke increment. It has been found that, in some cases, the course of the torque can be improved in comparison with an unchanged lower reversal point in the sense of better consistency.
  • the macro-shape of the bore and the microstructure of the bore inner surface after the Hubver selectedungsphase within the given specification are so good that the Honbearbeitung can complete the Hubver selectedungsphase and the workpiece is then finished machined.
  • the Hubver selectedungsphase may be the last phase of Honbearbeitung.
  • an honing groove to be produced is typically defined for the finished bore, e.g. a honing angle in the range of 40 ° to 60 ° in a conventional Plateauhonung. Due to the stroke displacement during contour generation, it may be that in this area other than the desired honing angles arise, e.g. Honing angle of less than 15 °. In some cases this can not be corrected during the subsequent honing operation.
  • the contour generated by the stroke displacement creates a "step profile" on the inner surface of the bore, which may not be adequately leveled in the event of unfavorable cutting behavior of the subsequent honing phases, and there may also be no specific possibility for rounding
  • it may be difficult to consistently obtain good shape and roundness values for example, there may be sections with weak cylinder tube connections, in which it may be difficult to achieve to achieve required roundness.
  • an additional additional honing phase (third honing phase) with freely selectable stroke position, lifting speed, speed, Aufweitkraft, expansion speed and mode (expansion: force / distance) may be provided.
  • the honing parameters can be set in such a way that virtually any honing angle can be generated after contour generation.
  • Another set of honing parameters can be set to compensate for any existing "step profile" after contouring and / or to "round off” transitions.
  • a third honing phase can be programmed as position-related firing in order to positively influence the roundness on local problem areas of individual components (eg: weak cylinder tube connection). It has been shown that process-reliable roundness values can also be achieved on labile cylinder tubes.

Abstract

Bei einem Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mithilfe mindestens einer Honoperation, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, wird während einer Honoperation ein an eine Spindel angekoppeltes, aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung hin und her bewegt. Gleichzeitig wird das Honwerkzeug zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung mit einem über die Spindel übertragenen Drehmoment gedreht. Es eine in Bezug auf eine Bohrungsachse rotationssymmetrische, von der Kreiszylinderform abweichende Bohrungsform mit einem axialen Konturverlauf erzeugt wird. Zur Erzeugung eines axial variierenden Materialabtrags wird dabei in mindestens einer Hubveränderungsphase (PH2) eine Hublänge und/oder eine Hublage der Hubbewegung verändert. Das Honverfahren ist gekennzeichnet durch eine Steuerung des über die Spindel auf das Honwerkzeug übertragenen Drehmoments (DM) in der Weise, dass das Drehmoment während der Hubveränderungsphase (PH2) im Wesentlichen konstant bleibt.

Description

Honverfahren und Bearbeitungsmaschine zum Formhorsen
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mithilfe mindestens einer Honoperation gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 , sowie eine zur Durchführung des Honverfahrens konfigurierte Bearbeitungsmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen.
Die Zylinderlaufflächen in Zylinderblöcken (Zylinderkurbelgehäusen) oder Zylinderlaufbuchsen von Brennkraftmaschinen oder anderen Hubkolbenmaschinen sind im Betrieb einer starken triboiogischen Beanspruchung ausgesetzt. Daher kommt es bei der Hersteilung von Zyiinder- blöcken oder Zylinderiaufbuchsen darauf an, diese Zyiinderlaufflächen so zu bearbeiten, dass später bei allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierung durch einen Schmiermittelfilm gewährleistet ist und der Reibwiderstand zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen möglichst gering gehalten wird.
Die qualitätsbestimmende Endbearbeitung solcher tribologisch beanspruchbaren Innenflächen erfolgt in der Regel mit geeigneten Honverfahren, die typischer Weise mehrere aufeinanderfolgende Honoperationen umfassen. Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Bei einer Honoperation wird ein aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der zu bearbeitenden Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung mit einer Hubfrequenz hin- und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung mit einer vorgebbaren Drehzahl gedreht. Zur Aufweitung des Honwerkzeugs werden die am Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper über ein Zustellsystem mit einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft und/oder Zustellgeschwindigkeit zugestellt und an die zu bearbeitende Innenfläche angedrückt. Beim Honen entsteht in der Regel an der Innenfläche ein für die Honbearbeitung typisches Kreuzschliffmuster mit sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren, die auch als„Honriefen" bezeichnet werden.
Mit steigenden Anforderungen an die Sparsamkeit und Umweltfreundlichkeit von Motoren ist die Optimierung des triboiogischen Systems Kolben/Kolbenringe/Zylinderlauffläche von besonderer Bedeutung, um geringe Reibung, geringen Verschleiß und geringen Ölverbrauch zu erreichen. Der Reibungsanteil der Kolbengruppe kann bis zu 35% betragen, so dass eine Reibungsreduzierung in diesem Bereich wünschenswert ist.
Eine Technologie, die für die Reduzierung der Reibung und des Verschleißes immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die Vermeidung bzw. Reduzierung von Zylinderverzügen bzw. Deformationen des Motorblocks (Zylinderkurbelgehäuses) bei der Montage und/oder im Betrieb. Nach einer konventionellen Honbearbeitung soll eine Zylinderbohrung typischerweise eine Bohrungsform haben, die möglichst wenig, z.B. maximal wenige Mikrometer, von einer idealen Kreiszylinderform abweicht. Während der Montage und/oder des Betriebs des Motors kann es jedoch zu deutlichen Formfehlern (Verzügen) kommen, die bis zu mehreren Hundertsteln Millimeter betragen und die Performance des Motors verringern können. Die Ursachen von Verzügen bzw. Deformationen sind unterschiedlich. Es kann sich um statische oder quasi statische thermische und/oder mechanische Belastungen handeln oder um dynamische Belastungen. Auch die Konstruktion und das Design von Zylinderblöcken haben Einfluss auf die Neigung zu Deformationen. Die Dichtfunktion des Kolbenringpakets wird durch solche schwer kontrollierbaren Deformationen typischerweise verschlechtert, wodurch sich der Blow-by, der Ölverbrauch und auch die Reibung erhöhen können.
Das sogenannte Formhonen, auch bezeichnet als Freiformhonen, ist eine Technologie, welche durch eine Invertierung der Zylinderverzüge (Erzeugung einer Negativform des Fehlers) bei der Bearbeitung die Entstehung einer Idealform nach der Montage oder im Betriebszustand des Motors gewährleisten oder annähern soll. Dabei wird am unverspannten Werkstück mittels Honen eine von der Kreiszylinderform definiert abweichende Bohrungsform erzeugt. Solche Bohrungsformen sind in der Regel in Axialrichtung und/oder in Umfangsrichtung unsymmetrisch, weil auch die Deformationen des Zylinderblocks in der Regel nicht symmetrisch sind. Im Betriebszustand soll sich eine möglichst ideale Kreiszylinderform ergeben, so dass das Kolbenringpaket über den gesamten Bohrungsumfang gut abdichten kann.
Verschiedene Varianten des Formhonens, die es erlauben, nicht-rotationssymmetrische Bohrungsformen mit einer systematischen Abweichung von einer 2-zähligen Rotationssymmetrie zu erzeugen, werden in der EP 1 790 435 B1 beschrieben.
In der WO 2014/146919 A1 wird ein Honverfahren zum Formhonen beschrieben, bei dem eine in Bezug auf die Bohrungsachse rotationssymmetrische, flaschenförmige Bohrung erzeugt wird, die in der Nähe des Bohrungseintritts enger ist als weiter entfernt vom Bohrungseintritt. Bei einer Verfahrensvariante wird ein Honwerkzeug mit axial relativ langen Honleisten verwendet. Zur Erzeugung eines axial variierenden Materialabtrags werden in einer Hubveränderungsphase die Hublänge und/oder die Hublage der Hubbewegung verändert. Hierdurch kann ein axialer Konturverlauf erzeugt oder verändert werden. In der Anmeldung werden auch Honwerkzeuge beschrieben, die mindestens eine ringförmige Schneidgruppe mit Schneidstoffkörpern aufweisen, die als in Umfangsrichtung breite und in Axialrichtung schmale Honsegmente gestaltet sind. Bei Verwendung derartiger Honwerkzeuge lassen sich Bohrungsformen mit axialem Konturverlauf besonders präzise und wirtschaftlich bearbeiten.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Honverfahren der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, das es erlaubt, an Bohrungen, die im fertig bearbeiten Zustand einen axialen Konturverlauf haben sollen, den gewünschten Konturverlauf über die gesamte relevante Bohrungslänge mit ausreichender Präzision zu erzeugen. Es ist eine weitere Aufgabe, eine zur Durführung des Honverfahrens konfigurierte Bearbeitungsmaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Honverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch eine Bearbeitungsmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 14. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Durch umfangreiche Honversuche (Konturhonung) mit unterschiedlichen Schneidmittelspezifikationen, Schneidmittelabmessungen, Schneidmittelanordnungen (Anzahl Segmente/Leisten) sowie Ringwerkzeugausführungen und konventionellen Werkzeugen (mit relativ langen Honleisten mit Längen im Bereich von ca. 1/3 bis 2/3 der Bohrungslänge)) wurde gezeigt, im Bereich des Bohrungsabschnitts mit relativ größtem Durchmesser geometrische Abweichungen von der Soll-Form auftreten können. Hierzu wurde unter anderem der Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit von der Hublänge und der Hubverlagerung, der Drehzahl der Spindel und Aufweitgeschwindigkeit dokumentiert. Es konnte eine Tendenz dahingehend festgestellt werden, dass mit Verkürzung der Hublänge während der Konturerzeugung das Spindeldrehmoment signifikant sinken kann. Dies zeigt an, dass sich die Schneidbedingungen in der Eingriffszone zwischen Schneidstoffkörper und Bohrungsinnenwand so deutlich verändern können (Reduzierung der Werkzeugstabilisierung im Prozess), dass der Materialabtrag nicht mehr im beabsichtigten Umfang erzielt wird und/oder die Form, vor allem im eintrittsfernen Bohrungsendbereich, ungünstige Abweichungen zeigt.
Wenn eine Steuerung des über die Spindel auf das Honwerkzeug übertragenen Drehmoments in der Weise erfolgt, dass das Drehmoment während der Hubveränderungsphase im Wesentli- chen konstant bleibt, können derartige Formabweichungen vermieden oder auf unkritische Werte reduziert werden. Insbesondere kann ggf. über die gesamte zu honende Bohrungslänge ein relativ konstantes Drehmoment erreicht werden. Dies führt zu gleichmäßigeren Schneidkräften während der kompletten Honbearbeitung. Ein Freischneiden des Honwerkzeugs kann verhindert werden.
Die angestrebte„Konstanz" des Drehmoments ist nicht mathematisch exakt zu verstehen. Geringfügige Schwankungen des Drehmoments über die Zeit und/oder über die Hubposition innerhalb eines relativ engen Drehmoment-Fensters um einen Drehmoment-Sollwert sind zulässig. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird ein Drehmoment insbesondere dann als„im Wesentlichen konstant" angesehen, wenn eine Abweichung des über einen Hub gemitteiten Drehmoments von einem Drehmoment-Sollwert weniger als 15%, insbesondere weniger als 10% oder weniger als 5% beträgt.
Die Bearbeitungsmaschine bzw. deren Steuereinrichtung kann hierzu eine Einrichtung zur Einstellung eines Drehmoment-Soilwerts und eines Drehmoment-Fensters um den Drehmoment- Sollwert umfassen. Beispielsweise können die Drehmomentgrenzen (untere und obere Grenze des für den Prozess zulässigen Drehmoments bzw. minimales und maximales Drehmoment) über zwei gesonderte Parameter in die Steuerung eingegeben werden. Es wäre auch möglich, einen Drehmoment-Sollwert und eine Fensterbreite als Parameter einzugeben.
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, das Drehmoment während der Bearbeitung im Wesentlichen konstant zu halten.
Bei manchen Ausführungsformen wird zur Steuerung des Drehmoments in mindestens einer Drehzahlveränderungsphase eine von der Hublänge abhängige Veränderung der Drehzahl des Honwerkzeuges in der Weise erzeugt, dass die Drehzahl bei Reduzierung der Hublänge reduziert wird. Die Honoperation wird also zumindest phasenweise mit variabler Drehzahl durchgeführt. Diese Variante kann auch als Formhonen mit prozessintegrierter Drehzahlsteuerung bezeichnet werden. Wird die Drehzahl mit sinkender Hublänge angepasst reduziert, können relativ gleichmäßige Eingriffsbedingungen zwischen Schneidstoffkörper und Bohrungsinnenwand aufrechterhalten werden, so dass der gewünschte axial variierende Materialabtrag erreicht werden kann.
Die hubabhängige Veränderung der Drehzahl kann nach Maßgabe einer vorgegebenen Drehzahlveränderungsfunktion erfolgen. Wenn für den Honprozess die gewünschte Hubveränderung über die Honoperation festgelegt ist, kann der angepasste Drehzahlverlauf bzw. die entspre- chende Drehzahlveränderungsfunktion vom Bediener vor der Honoperation eingegeben und dann im Wege einer Feed-Forward-Steuerung von der Bearbeitungsmaschine selbsttätig durchgeführt werden. Wenn beispielsweise während einer Hubveränderungsphase die Hublänge kontinuierlich in gleichmäßigen Schritten reduziert wird, kann auch die Drehzahl kontinuierlich oder in Schritten reduziert werden. Auch kompliziertere Zusammenhänge zwischen Hublänge und Drehzahl können bei Bedarf voreingestellt werden.
Es ist möglich, empirisch oder theoretisch bestimmte Zusammenhänge zwischen Hublänge und Drehzahl für bestimmte Kombinationen von Werkzeugtypen und Werkstücktypen in einem Speicher der Steuereinrichtung in Form geeigneter Datensätze zu hinterlegen und auf diese Daten bei der Programmierung der Steuerung für einen Honprozess zuzugreifen.
In vielen Fällen hat es sich als besonders günstig herausgestellt, wenn eine Veränderung der Drehzahl auch in Abhängigkeit von der Hublänge gesteuert wird. Unter anderem hat sich gezeigt, dass bei zunehmend reduzierter Hublänge ein deutliches Absinken des Drehmomentes beobachtet werden kann. Daher kann es sinnvoll sein, bei allmählich sinkender Hublänge die Drehzahl jedenfalls dann abzusenken, wenn die Hubiänge weniger als 150%, insbesondere weniger als 100%, der axialen Länge der Schneidstoffkörper entspricht. Ein entsprechendes Modul des Steuerungsprogramms kann diesen Zusammenhang abbilden, ggf. auf Basis von bauteilspezifischen Vorversuchen.
Bei manchen Ausführungsformen ist eine Regelung des Drehmoments eines zur Drehung der Spindel vorgesehenen Spindeiantriebs vorgesehen. Für diese Regelung wird eine Rückkopplungsstrecke aufgebaut, in welcher die zu beeinflussende Größe (Drehmoment) direkt oder indirekt erfasst und basierend auf den Werten der Erfassung die Honoperation so gesteuert wird, dass das Drehmoment im Wesentlichen konstant bleibt bzw. sich innerhalb eines vorgebbaren, relativ engen Drehmoment-Fensters hält.
Bei manchen Varianten ist eine Regelung des Drehmoments dadurch realisiert, dass an dem Spindelantrieb das aktuelle Drehmoment des Spindelantriebs repräsentierendes Drehmoment- Signal erfasst und mit einem Sollwert des Drehmoments repräsentierenden Sollwert-Signals zur Ermittlung einer Soliwertabweichung verglichen wird und dass die Steuerung des Drehmoments des Spindelantriebs in Abhängigkeit von der Sollwertabweichung erfolgt. Das Drehmoment- Signal kann beispielsweise über die elektrische Leistungsaufnahme eines Servoantriebs oder eines anderen elektrischen Antriebs generiert werden. Auch Kraftmessungen am oder im Honwerkzeug sind möglich. Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass ein Soll-Verlauf des Sollwerts des Drehmoments für eine Honoperation vorgegeben und eine Drehzahl der Spindel nach Maßgabe des Soil-Verlaufs gesteuert wird. Hierdurch können relativ gleichmäßige Schneidkräfte während der kompletten Honbearbeitung erzielt werden. Beispielsweise kann ein Soll-Drehmoment- Fenster durch Vorgabe eines minimalen und eines maximalen zulässigen Drehmoments definiert werden. Bei Abweichungen des erfassten Drehmoments während der Honphase kann dann die Drehzahl so gesteigert oder reduziert werden, dass das Drehmoment innerhalb des vorgegebenen Drehmoment-Fensters bleibt. Insbesondere kann bei Unterschreitung des Soll- Drehmoments die Drehzahl reduziert und bei Überschreitung des Soll-Drehmoments die Drehzahl erhöht werden. Die Drehzahl kann dabei zwischen programmierbaren Minimalwerten und Maximalwerten für die Drehzahl variieren.
Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung des Honergebnisses liegt in einer gezielten Steuerung der Hubverlagerung. Bei manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass zur Veränderung der Hublänge und/oder der Hublage während der Hubveränderungsphase eine Position eines oberen Umkehrpunktes und/oder eine Position eines unteren Umkehrpunkts einer Hubbewegung nach Maßgabe einer Voreinstellung verändert wird. Auf diese Weise kann die Hublänge, d.h. die axiale Länge zwischen oberem und unterem Umkehrpunkt, variiert werden. Insbesondere kann es so sein, dass mindestens über eine Phase sowohl die Position des oberen Umkehrpunktes als auch die Position des unteren Umkehrpunktes zwischen aufeinanderfolgenden Hüben verändert wird. Hierdurch kann sich gegebenenfalls im Vergleich zu einer Variante, bei der beispielsweise nur der obere Umkehrpunkt verändert wird, eine Verbesserung der Konstanz des Drehmoments ergeben. Insbesondere kann es so sein, dass ein Freischneiden des Honwerkzeugs im eintrittsfernen Bohrungsendbereich im Vergleich zu anderen Verfahrensführungen reduziert und/oder minimiert wird.
Insbesondere bei einem axialen Konturverlauf, welcher im nicht-zylindrischen Bereich ein nichtlineare Formänderung bzw. eine nicht geradlinige Mantellinie aufweist, wie z.B. bei einer Bohrung mit Trompetenform oder Glockenform, kann diese Formvariante durch eine hubabhängige, variable Zustellung erzeugt bzw. eingebracht werden.
Dies kann insbesondere in der Weise erfolgen, dass eine Zustellkraft und/oder eine Zustellgeschwindigkeit von Schneidstoffkörpern des Honwerkzeugs in Abhängigkeit von der Hubposition des Honwerkzeugs gesteuert werden. Auf diese Weise kann eine variable KrafWWegsteuerung zur Konturgestaltung genutzt werden oder beitragen. Beispielsweise kann mit dieser Variante besonders gut eine Trompetenform oder eine Glockenform bzw. Flaschenform oder eine Konusform einer Bohrung erzeugt werden. Eine Erzeugung der gewünschten Kontur allein mittels Hubverlagerung kann in solchen Fällen ggf. nicht ausreichend sein. Wird dagegen die Zusteli- kraft bzw. die Zustellgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Hublage variiert, idealerweise sowohl im Abwärtshub als auch im Aufwärtshub, können auch komplexere Bohrungsformen gut erzeugt werden. Die variable Kraft-A/Vegsteuerung kann mit einer Hubveriagerung kombiniert werden. Zur Erzeugung von Sonderformen, wie zum Beispiel einer Trompetenform, kann es zweckmäßig sein, wenn mehrere Hubpositionen mit unterschiedlichen Aufweitkräften programmiert bzw. vorgegeben werden können. Beispielsweise ist es möglich, durch kleinere Abstände der Hubposition (Anzahl und Position vorzugsweise frei wählbar) und konstanter Kraft- Λ/Vegregelung eine Trompetenform zu erzeugen.
Das Honverfahren kann mit unterschiedlich gestalteten Honwerkzeugen durchgeführt werden. Vorzugsweise wird bei der Bearbeitung ein aufweitbares Honwerkzeug verwendet, welches in einem spindelfernen Endbereich eines Werkzeugkörpers eine aufweitbare, ringförmige Schneidgruppe mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkör- pern aufweist, wobei eine axiale Länge der Schneidstoffkörper kleiner ist als der wirksame Außendurchmesser der ringförmigen Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern. Ein solches Honwerkzeug wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als„Ringwerkzeug" bezeichnet. Beispiele geeigneter Honwerkzeuge mit einer oder zwei ringförmigen Schneidgruppen sowie mit einfacher Aufweitung oder Doppel-Aufweitung sind in der WO 2014/146919 A1 angegeben. Der Offenbarungsgehalt der WO 2014/146919 A1 wird insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Alternativ sind z.B. auch piezoelektrisch gesteuerte Honwerkzeuge verwendbar.
Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung des Honverfahrens konfigurierte Bearbeitungsmaschine. Es kann sich dabei um eine spezialisierte Honmaschine oder um eine andere Werkzeugmaschine handeln, die die hier benötigten Funktionalitäten bietet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch die Vorderansicht einer Honmaschine, die zur Durchführung verschiedener Varianten des Honverfahrens genutzt werden kann; Fig. 2 in Fig. 2A einen Längsschnitt und in Fig. 2B eine axiale Ansicht eines Honwerkzeugs, das zur Durchführung verschiedener Varianten des Honverfahrens genutzt werden kann;
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer zylindrischkonischen Bohrung mit axialem Konturverlauf;
Fig. 4 ein Diagramm, in welchem für eine Referenz-Honoperation die Hubposition des Honwerkzeugs, die Drehzahl der Spindel und das Drehmoment des Spindelantriebs aufgetragen sind;
Fig. 5 ein Messdiagramm einer gehonten Bohrung mit Formabweichungen am breiten Bohrungsende;
Fig. 6 ein Diagramm einer Verfahrensvariante mit einer linearen Drehzahlreduzierung während der Hubveränderungsphase;
Fig. 7 ein Diagramm einer Verfahrensvariante, bei der das Drehmoment die Drehzahl regelt; und
Fig. 8 ein Diagramm einer Verfahrensvariante mit einer unabhängigen Hubverlagerung am oberen Umsteuerpunkt und am unteren Umsteuerpunkt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In Fig. 1 ist schematisch die Vorderansicht einer Honmaschine 100 gezeigt, die im Rahmen verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren zur Bearbeitung von Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken als Bearbeitungsmaschine eingesetzt werden kann, um einerseits in herkömmlicher Weise eine oder mehrere Honoperationen an dem Werkstück auszuführen und um andererseits am gleichen Werkstück auch Ausführungsformen erfindungsgemäßer Honverfahren durchzuführen.
Auf dem Maschinenbett 102 der Honmaschine ist eine Aufspannplatte 104 befestigt, die ein darauf aufgespanntes Werkstück 106 trägt, bei dem es sich im Beispielsfall um einen Motorblock (Zylinderkurbelgehäuse) einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine handelt. In dem Motorblock sind mehrere Zylinderbohrungen mit generell vertikaler Ausrichtung ihrer Zylinderachsen gebildet. Die durch die Innenflächen der Zylinderbohrungen gebildeten Zylinderlaufflächen werden auf der Honmaschine einer qualitätsbestimmenden Endbearbeitung unterzogen, bei der sowohl die Makroform der Zylinderlaufflächen, als auch deren Oberflächentopographie durch geeignete Honoperationen erzeugt wird.
Bei der Honmaschine 100 sind auf einer portalartigen Trägerkonstruktion 108 zwei im Wesentlichen identisch aufgebaute Honeinheiten 110, 1 12 befestigt, die abwechselnd oder gleichzeitig bei der Werkstückbearbeitung eingesetzt werden können. Ihr Aufbau wird anhand der Honeinheit 1 10 näher erläutert. Die Honeinheit umfasst einen auf der Trägerkonstruktion befestigten Spindeikasten 1 14, der die ais Werkzeugspindei der Bearbeitungsmaschine dienende Honspindel 116 führt. Die Honspindel lässt sich mit Hilfe eines am Spindelkasten befestigten Spindelantriebs 1 18 um ihre Längsachse (Spindelachse) drehen. Der Spindelantrieb weist einen Servomotor auf, der u.a. bezüglich seiner Drehzahl und des erzeugten Drehmoments steuerbar ist.
Am unteren Ende der Honspindel ist eine Gelenkstange 120 angebracht, an deren unteres, freies Ende das als Bearbeitungswerkzeug dienende Honwerkzeug 200 begrenzt beweglich mechanisch angekoppelt ist, z.B. über eine Bajonettverbindung. Bei anderen Ausführungsformen sind andere Lösungen möglich. Beispielsweise kann anstelle der Gelenkstange eine andersartige Antriebsstange, z.B. eine Biegestange, gewählt werden. Alternativ zu einer begrenzt beweglichen mechanischen Ankopplung ist auch eine starre Ankopplung des Honwerkzeugs möglich.
Ein auf dem Spindelkasten 1 14 montierter Hubantrieb 124 bewirkt die Vertikalbewegung der Honspindel beim Einführen des Werkzeuges in das Werkstück bzw. beim Herausziehen aus dem Werkstück und wird während der Honbearbeitung so angesteuert, dass das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung des Werkstückes eine zur Spindelachse parallele, vertikale Hin- und Her-Bewegung ausführt. Hublänge und Hublage sind durch Eingabe einstellbar.
Die Honmaschine ist mit Zustellsystem 140 ausgestattet, das zwei unabhängig voneinander betätigbare ZuStelleinrichtungen umfasst, die unterschiedlichen Sätzen von Arbeitseiementen am Honwerkzeug zugeordnet werden können. Eine hydraulisch betätigbare zweite ZuStelleinrichtung umfasst einen Hydraulikzylinder, in dem ein beidseitig mit Hydraulikdruck beaufschlagbarer Kolben sitzt, der an einem Ende einer Druckstange 152 befestigt ist. Diese lässt sich dementsprechend durch Steuerung des Hydraulikdrucks innerhalb des Hydraulikzylinders parallel zu ihrer Längsachse in beide Richtungen gesteuert bewegen. Diese Aufweitung kann auch mit einem Servomotor - kraftgesteuert oder weggesteuert - versehen werden. Die massive Druckstange 152 ist innerhalb einer hohlen Druckstange 162 koaxial mit dieser und relativ zu dieser beweglich angeordnet. Die hohle Druckstange gehört zu einem elektromechanischen ersten Zustellsystem, dessen Antrieb durch einen elektrischen Schrittmotor gebildet wird, der über ein Getriebe auf die äußere, hohle Druckstange 162 wirkt, um diese parallel zur gemeinsamen Achse der Druckstangen auf- und ab zu bewegen. Diese Aufweitung kann auch mit einem Servomotor - kraftgesteuert oder weggesteuert - versehen werden.
Der Spindelantrieb 118, der Hubantrieb 124 und die Antriebe des das Zustellsystems 140 sind an eine Steuereinrichtung 180 angeschlossen, die ein funktionaler Bestandteil der Maschinensteuerung ist und über eine Bedieneinrichtung 190 bedient werden kann. Über die Bedieneinrichtung können unter anderem die folgenden Prozessparameter eingestellt werden:
Lage des oberen Umsteuerpunkts und des unteren Umsteuerpunkts von Hubbewegungen. Dadurch sind die Hublänge und die Hublage definierbar. Hubintervalle und Hubinkremente. Dadurch sind zeitlich veränderliche Hübe programmierbar. Drehzahl, Drehzahlinkrement, minimale Drehzahl und maximale Drehzahl eines Drehzahl-Fensters. Zustellgeschwindigkeit, Hubgeschwindigkeit. Beginn einer Honphase, Beginn einer oder mehrerer weiterer Honphasen. Soll-Drehmoment und Drehmoment-Fenster und/oder minimales und maximales zulässiges Drehmoment während einer Hubveränderungsphase.
Fig. 2 zeigt in 2A einen Längsschnitt und in 2B eine axiale Ansicht des Honwerkzeugs 200. Das Honwerkzeug 200 hat eine einzige, ringförmig am Werkzeugkörper angebrachte Schneidgruppe mit um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern, die mittels einer zugeordneten Schneidstoffkörper-Zustelleinrichtung in Radiairichtung zugestellt beziehungsweise zurückgezogen werden können. Die Schneidstoffkörper sind als Honsegmente gestaltet, deren Breite in Umfangsrichtung deutlich größer ist als ihre Länge in Axialrichtung. Die für den Materialabtrag an Werkstück zuständigen Schneidstoffkörper sind in einer axial relativ schmalen Zone (einem Ring der Schneidgruppe) konzentriert und nehmen einen relativ großen Anteil des Umfang s des Honwerkzeugs ein. Dadurch können mit relativ hoher Materialabtrags-Leistung Bohrungsformen erzeugt werden, bei denen in Axialrichtung Bohrungsabschnitte unterschiedlicher Durchmesser aneinander angrenzen. Aufgrund der ringförmigen Anordnung der Schneidstoffkörper wird das Honwerkzeug in dieser Anmeldung auch als„Ringwerkzeug" bezeichnet.
Das Honwerkzeug 200 hat einen Werkzeugkörper 210, der eine Werkzeugachse 212 definiert, die gleichzeitig die Rotationsachse des Honwerkzeugs während der Honbearbeitung ist. Am spindelseitigen Ende des Honwerkzeugs (in Fig. 2A oben) befindet sich eine nicht näher dargestellte Kupplungsstruktur zum Ankoppeln des Honwerkzeugs an eine Antriebsstange einer Honmaschine oder einer anderen Bearbeitungsmaschine, weiche eine Spindel hat, die sowohl um die Spindelachse drehbar als auch parallel zur Spindelachse oszillierend hin- und her bewegbar ist. Das Honwerkzeug wird im dargestellten Beispiel gelenkig an die Honspindel oder eine Gelenk- stange angekoppelt, um eine begrenzte Beweglichkeit des Honwerkzeugs gegenüber der Honspindel zuzulassen. Hierzu ist am spindelseitigen Ende des Honwerkzeugs ein mehrachsiges Gelenk ausgebildet, z.B. ein kardanisches Gelenk oder ein Kugelgelenk.
Am spindelabgewandten Ende des Werkzeugkörpers (in Fig. 2A unten) befindet sich die ringförmige Schneidgruppe 220, die mehrere (im Beispielsfall drei) gleichmäßig über den Umfang des Werkzeugkörpers verteilte Schneidstoffkörper 220-1 , 220-2, 220-3 aufweist, welche mithilfe der Schneidstoffkörper-Zustelleinrichtung radial zur Werkzeugachse 212 nach außen zugestellt werden können, um die abrasiv wirkenden Außenseiten des Schneidstoffköpers mit einer definierten Andrückkraft bzw. Anpresskraft an die Innenfläche einer zu bearbeitenden Bohrung anzudrücken. Jeder der drei bogenförmig gekrümmten Schneidstoffkörper ist als ein in Umfangs- richtung sehr breites, in Axialrichtung dagegen schmales Honsegment gestaltet, welches ein Umfangswinkelbereich zwischen 90° und 110° abdeckt. Die Honsegmente sind vom Werkzeugkörper entkoppelt und relativ zu diesem radial zur Werkzeugachse 212 verschiebbar. Der durch die Honsegmente gebildete Ring schließt an der spindelabgewandten Seite fast bündig oder bündig mit dem Werkzeugkörper ab. Der Ring sitzt vollständig innerhalb der spindelabgewandten Viertels des Werkzeugkörpers am spindelabgewandten Ende des Ringwerkzeugs. Die axiale Länge der Schneidstoffkörper definiert hier die axiale Länge des Schneidbereichs.
Die axiale Länge LHS der Honsegmente liegt bei weniger als 35%, insbesondere bei weniger als 15% der Bohrungslänge. Die Honsegmente sind ca. 5 mm bis 90 mm, insbesondere ca. 10 mm bis 70 mm hoch (in Axialrichtung), was im Beispielsfall zwischen 5% und 50%, insbesondere zwischen 10% und 20% oder 30% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe (bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern) entspricht. Die axiale Länge LHS entspricht hier gleichzeitig der axialen Länge des gesamten Schneidbereichs des Honwerkzeugs.
Jeder Schneidstoffkörper ist an einer Außenseite einer zugeordneten Tragleiste 224-1 , 224-2 aus Stahl durch Löten befestigt. Alternativ kann der Schneidstoffkörper auch durch Kleben oder mittels Schrauben befestigt werden, wodurch eine leichtere Auswechslung möglich ist. Im Beispiel trägt jede Tragleiste nur einen kreissegmentartig gestalteten Schneidstoffkörper. Auf einer Tragleiste können auch mehrere einzelne Schneidleisten befestigt werden. Jede Tragleiste hat an ihrer Innenseite eine Schrägfläche, die mit einer konischen Außenfläche eines axial verschiebbaren, rohrförmigen bzw. innen hohlen Zustellkonus 232 in der Weise zusammenwirkt, dass die Tragieisten mit den davon getragenen Schneidstoffkörpern nach radial außen zugestellt werden, wenn der Zustellkonus mittels einer maschinenseitigen Zustellvorrichtung gegen die Kraft von (nicht dargestellten) Rückholfedern in Richtung des spindelabgewandten Endes des Ringwerkzeugs gedrückt wird. Bei entgegengesetzter Zusteiibewegung werden die Trag- leisten mit den Honsegmenten mit Hilfe umlaufender Rückholfedern nach radial innen zurückgeholt. Die radiale Position der Schneidstoffkörper wird dadurch spielfrei über die axiale Position des Zustellkonus 232 gesteuert.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele von Honverfahren beschrieben, die im Rahmen von Ausführungsformen der Erfindung genutzt werden können, um rotationssymmetrische Bohrungen mit axialem Konturverlauf zu erzeugen.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer solchen Bohrung 310 in einem Werkstück 300 in Form eines Motorblocks (Zylinderkurbelgehäuses) für eine Brennkraftmaschine. Die Soll-Form der Bohrung ist in Bezug auf ihre Bohrungsachse 312 rotationssymmetrisch und erstreckt sich über eine Bohrungslänge L von einem im Einbauzustand dem Zylinderkopf zugewandten Bohrungseintritt 314 bis zum Bohrungsaustritt 316 an gegenüberliegenden Ende. Die Bohrung kann in mehrere aneinander angrenzende Abschnitte unterschiedlicher Funktion unterteilt werden, die gleitend, d.h. ohne Bildung von Stufen oder Kanten, ineinander übergehen.
Ein erster Bohrungsabschnitt 320 am eintrittsseitigen Ende hat einen ersten Durchmesser D1 und eine erste Länge L1. Der erste Durchmesser liegt über die gesamte erste Länge L1 vor, so dass der erste Bohrungsabschnitt eine kreiszylindrische Gestalt hat. Der erste Bohrungsabschnitt geht in einen axial schmalen Übergangsabschnitt 325 mit Übergangsradius R1 stufenlos in einen zweiten Bohrungsabschnitt 330 über, der sich vom Übergangsabschnitt bis zum aus- trittsseitigen Ende der Bohrung erstreckt. Der zweite Bohrungsabschnitt 330 hat im Wesentlichen eine konische bzw. kegelstumpfförmige Gestalt und erstreckt sich über eine zweite Länge L2. Der zweite Bohrungsabschnitt hat durchgängig einen Innendurchmesser (zweiter Durchmesser) D2, der größer als der erste Durchmesser D1 ist, wobei der zweite Durchmesser ausgehend vom Übergangsabschnitt (ungefähr mit den ersten Durchmesser) zum Bohrungsende hin kontinuierlich linear zunimmt. Der Konuswinkei α (Winkel zwischen der Bohrungsachse und einer in einer Axialebene verlaufenden Mantellinie des zweiten Bohrungsabschnitts) kann z.B. im Bereich von weniger als 5° liegen, auch bei weniger als 1 °, ggf. auch bei 0.2° oder darunter.
Die erste Länge L1 kann beispielsweise zwischen 10% und 60% der Bohrungslänge L betragen. Die zweite Länge L2 ist typischerweise größer als die erste Länge und liegt häufig zwischen 30% und 80% der Bohrungslänge L. Der Übergangsabschnitt ist gegenüber den daran angrenzenden Bohrungsabschnitten sehr kurz. Auch Abweichungen von diesen geometrischen Verhältnissen sind möglich. Der Durchmesserunterschied zwischen dem ersten Durchmesser D1 und dem zweiten Durchmesser D2 in eintrittsferneren Teilen liegt deutlich außerhalb der für die Honbearbeitung typischen Toleranzen, die für eine Zylinderform in der Größenordnung von maximal 10 μητι (bezogen auf den Durchmesser) liegen. Bei einem Absolutwert des Innendurchmessers in der Größenordnung zwischen 50 mm und 500 mm (letzteres z.B. bei Schiffsmotoren) kann der maximale Durchmesserunterschied beispielsweise zwischen 20 μιη und 500 μηι liegen.
Die Längen der äußeren Bohrungsabschnitte und der Radius des Übergangsabschnitts können so optimiert sein, dass sich in typischen Betriebszuständen des Motors geringer Blow-by, geringer Ölverbrauch und geringer Verschleiß der Kolbenringe ergeben.
Die Form der Bohrung führt dazu, dass die Bohrung im eintrittsnahen Bereich vergleichsweise eng ist, so dass die Kolbenringe des in der Bohrung laufenden Kolbens unter hoher Ringspannung an die Bohrungsinnenfläche 318 gedrückt werden. Dadurch wird dort, wo die Verbrennung hauptsächlich erfolgt und hohe Drücke auftreten, eine zuverlässige Abdichtung erreicht und der Ölfilm wird im Abwärtshub abgestreift. Der durch die Verbrennung beschleunigte Kolben bewegt sich dann Richtung Bohrungsaustritt, wobei die Kolbenringe zunächst den Übergangsabschnitt und dann den konischen zweiten Bohrungsabschnitt mit dem sich kontinuierlich erweiterten Innendurchmesser durchlaufen. Ab dem Übergangsabschnitt können sich die Kolbenringe allmählich entspannen, wobei die Abdichtung ausreichend bleibt, weil die Druckdifferenz an den Kolbenringen sinkt. Am eintrittsfernen Ende des zweiten Bohrungsabschnitts erreicht das Ringpaket seine niedrigste Spannung. Beim Aufwärtshub nimmt die Ringspannung dann allmählich wieder zu, bis die Kolbenringe den Übergangsabschnitt erreichen und diesen in Richtung des ersten Bohrungsabschnitts durchlaufen. Weiterhin wird berücksichtigt, dass eine durch Wärmeeinflüsse verursachte Aufweitung der Zylinderiaufbahn im oberen, zylindrischen Teil der Bohrung stärker ist als im konischen Bereich. Dadurch ergibt sich im befeuerten Zustand insgesamt eine weitgehend zylindrische bzw. deutlich weniger konische Bohrungsform als im kalten Zustand.
Es wurden umfangreiche Serien von Honversuchen mit unterschiedlichen Schneidmittelspezifikationen, Schneidmittelabmessungen, Schneidmittelanordnungen und Werkzeugtypen (zum Beispiel Ringwerkzeugausführungen und konventionelle Honwerkzeuge mit relativ langen Honleisten) durchgeführt, um optimierte Honstrategien zur Erzielung einer gewünschten Bohrungsform mit axialem Konturverlauf zu entwickeln. Vielversprechend sind dabei Verfahrensvarianten, bei denen zur Erzeugung eines axial variierenden Materialabtrags in einer Hubveränderungsphase die Hublänge und/oder die Hublage der Hubbewegung nach einem bestimmten Schema verändert werden. Der Begriff „Hubiage" bezeichnet dabei die Position des Hubs be- zogen auf ein maschinenfestes (bzw. bei eingespanntem Werkstück auch werkstückfestes) Koordinatensystem. Bei allen hier dokumentierten Honoperationen wurde ausgegangen von einer kreiszylindrischen Bohrungsform, die vorab z.B. durch Langhubhonen mit relativ langen Hon- ieisten erzeugt wurde.
Bei den Versuchen wurde unter anderem der Verlauf des Drehmoments des Spindelantriebs in Abhängigkeit von der Hublänge der Hubbewegung und deren Verlagerung, der Drehzahl und der Aufweitgeschwindigkeit mithilfe eines Systems zur Diagnose von Maschinenparametern erfasst und die Ergebnisse ausgewertet.
Fig. 4 zeigt beispielhaft ein daraus resultierendes Diagramm, in welchem auf der x-Achse die Honzeit tH (in Sekunden) einer Honoperation und auf der y-Achse in gemeinsamer Auftragung die Hubposition HP des Honwerkzeugs, die Drehzahl DZ der Spindel und das Drehmoment DM der Spindel bzw. des Spindelantriebs aufgetragen sind.
Bei der gezeigten Referenz-Honoperation (REF) wurde die Drehzahl DZ in einer Anfahrphase auf einen Soliwert heraufgefahren und blieb dann während der gesamten Honoperation konstant. Die Hubsteuerung wurde so eingestellt, dass in einer anfänglichen ersten Honphase PH1 die Hublänge so groß war, dass das Honwerkzeug die gesamte Bohrungslänge, das heißt sowohl den ersten Bohrungsabschnitt als auch den zweiten Bohrungsabschnitt, mithilfe der ringförmigen Schneidgruppe mittels zweier kompletter Doppelhübe bearbeitet. Eine darauffolgende zweite Honphase PH2 wurde als Hubveränderungsphase programmiert, in welcher sich die Hublage des Honwerkzeugs von Hub zu Hub ändert. Der Begriff „Hublage" bezeichnet hierbei den Bereich zwischen dem oberen Umsteuerpunkt UO einer Hubbewegung (in der Nähe des Bohrungseintritts) und dem unteren Umsteuerpunkt UU der Hubbewegung näher am eintrittsfernen Ende Bohrung bezogen auf ein maschinenfestes Koordinatensystem. Jede Verlagerung eines Umsteuerpunkts ändert somit auch die Hublage. Im Beispielsfall von Fig. 4 wurde der untere Umsteuerpunkt UU konstant gehalten, während der obere Umsteuerpunkt UO durch die Steuerung inkrementell (einstellbares Hubinkrement) in Richtung des unteren Umsteuerpunkts verändert wurde, so dass die Hubiänge von Hub zu Hub schrittweise reduziert wurde. Auf diese Weise wird der eintrittsfernere Abschnitt mit mehr Hüben bearbeitet als der eintrittsnahe Abschnitt. Bei der Referenz-Honoperation wurde mit konstanter Aufweitung, das heißt mit konstanter Zustellgeschwindigkeit, gefahren.
Das über den Hub gemittelte Drehmoment DM schwankte über mehr als 2/3 der mit veränderlichem Hub gefahrenen zweiten Honphase HP2 nur relativ geringfügig innerhalb eines engen Drehmoment-Fensters (im Beispieisfall zwischen ca. 60% und ca. 70% eines Referenzwertes. Der Referenzwert 100% entspricht in diesem Fall dem Nenn-Drehmoment des Spindelantriebs. Diese Schwankung um maximal 15 Prozentpunkte bzw. um ± 5% bis 7.5% um den Mittelwert 65% liegt im Rahmen dessen, was im Rahmen dieser Anmeldung als„im Wesentlichen konstant" bezeichnet wird. Im letzten Abschnitt der zweiten Honphase war jedoch ein deutliches Absinken des Drehmoments auf einen Bereich deutlich unterhalb des genannten Drehmoment- Bereichs erkennbar (siehe Pfeil). Generell könnte festgestellt werden, dass mit Verkürzung der Hublänge während der Konturerzeugung das Spindeldrehmoment sinkt. Vor allem in der letzten Phase, wenn die Hublänge etwa der axialen Länge der Schneidstoffkörper entspricht oder diese sogar unterschreitet, ist ein deutliches Absinken des Drehmoments zu erkennen. Dies führt dazu, dass sich die Schneidstoffkörper in diesem Bereich freischneiden können, und unter Umständen im unteren Bereich des konischen Abschnitts der Bohrung unerwünschte Formabwei- chungen entstehen können.
Fig. 5 zeigt beispielhaft ein Messdiagramm einer auf diese Weise gehonten Bohrung (Bohrungslänge ca. 100 - 150 mm) mit einer Sollgeometrie entsprechend Fig. 3. Am eintrittsabge- wandten Bereich, also im Bereich größten Durchmessers des konischen zweiten Bohrungsabschnitts, ist eine Formauffälligkeit FA zu erkennen, die sich auf etwa 10 mm bis 15 mm Länge erstreckt und auf die genannten Effekte des Freischneidens und der Reduzierung der Werkzeugstabilisierung zurückgeführt wird.
Deutliche Verbesserungen hinsichtlich der resultierenden Bohrungsform wurden bei einer Verfahrensführung erreicht, bei der in der Hubveränderungsphase (zweite Honphase PH2) simultan zur schrittweisen Verringerung der Hublänge die Drehzahl des Spindelmotors (Spindelantrieb 1 18) linear von einer Startdrehzahl DZ1 zu Beginn der zweiten Honphase auf eine Enddrehzahl DZ2 am Ende der zweiten Honphase reduziert wurde (vgl. Fig. 6). Die Hublänge wurde in gleicher Weise wie bei der im Zusammenhang mit Fig. 4 erläuterten Referenz- Honoperation innerhalb der zweiten Honphase PH2 bei konstant gehaltenem unteren Umkehrpunkt inkrementell reduziert. Es ist erkennbar, dass durch eine konstante Drehzahlreduzierung ein im Wesentlichen konstantes Spindeldrehmoment DM erzielt werden kann. Ein unerwünschtes Freischneiden des Honwerkzeugs wird über die gesamte Bohrungslänge verhindert, insbesondere auch in der oben diskutierten kritischen Phase gegen Ende der Honoperation, in welcher der eintrittsferne Bereich mit relativ kleinen Hüben bearbeitet wird. Die Drehzahl kann von Hub zu Hub inkrementell geändert werden. Das Drehzahlinkrement DZI lässt sich gemäß DZI = (DZ1 - DZ2) / Hl aus dem Verhältnis zwischen der Differenz der Startdrehzahl DZ1 und der Enddrehzahl DZ2 dividiert durch die Hubintervalle Hl berechnen bzw. vorgeben. Genau wie bei der Referenz-Honoperation wird auch hier mit konstanter Aufweitung, das heißt mit konstanter Zustellgeschwindigkeit, gefahren. Eine andere Art der Optimierung der Honoperation kann durch eine prozessintegrierte Drehmomentsteuerung erzielt werden. Die Bearbeitungsmaschine war dabei so eingerichtet, dass durch ein frei programmierbares Solldrehmoment über die gesamte zu honende Bohrungslänge die Drehzahl der Spindel gesteuert werden konnte. Ein entsprechendes Diagramm für die Zeitabhängigkeit der Hubposition HP, der Drehzahl DZ und des gemittelten Spindeldrehmoments DM ist in Fig. 7 gezeigt. Dabei ist das Steuerungssystem so programmiert, dass bei einer prozessbedingten Drehmomentveränderung eine automatische Veränderung der Drehzahl stattfindet, so dass das Drehmoment die Drehzahl regelt. Wenn das Ist-Drehmoment eine untere Grenze eines Drehmoment-Fensters DMF unterschreitet, wird auch die Drehzahl DZ reduziert, so dass die Ist-Drehzahl kleiner als die Soll-Drehzahl wird. Umgekehrt wird die Ist-Drehzahl über den Wert der Soll-Drehzahl angehoben, wenn das aktuelle Ist-Drehmoment das Soll- Drehmoment um mehr als einen zulässigen Betrag überschreitet und nach oben aus dem Drehmoment-Fenster DMF auswandert. Auch auf diese Weise kann ein unerwünschtes Freischneiden des Werkzeugs über die gesamte Bohrungslänge verhindert werden. Diese Steuerung wirkt sich dann so aus, dass in Phasen ohne Änderung des Drehmoments auch die Drehzahl konstant bleibt, während bei zu starkem Absinken des Drehmoments auch die Drehzahl reduziert und bei zu starkem Ansteigen des Drehmoments die Drehzahl erhöht wird. Das Drehmoment bleibt dadurch„im Wesentlichen konstant", da es (bis auf die kurzen Zeitintervalle vor dem Regeleingriff) innerhalb des zugelassenen Drehmoment-Fensters DMF bleibt.
Eine weitere Möglichkeit zur günstigen Beeinflussung einer Formhonoperation zur Erzeugung eines axialen Konturverlaufs besteht darin, eine unabhängige Hubverlagerung am oberen Umkehrpunkt UO und am unteren Umkehrpunkt UU zuzulassen bzw. vorzugeben. Beispielsweise könnte die axiale Lage des unteren Umkehrpunkts über die gesamte Hubveränderungsphase (zweite Honphase PH2) konstant bleiben, während sich der obere Umkehrpunkt inkrementell dem unteren Umkehrpunkt annähert, so dass die Hublänge von Hub zu Hub reduziert wird bei unveränderter Lage des unteren Umkehrpunkts (z.B. ähnlich wie bei der Verfahrensführung in Fig. 6 oder Fig. 7). Dies kann in vielen Fällen ausreichen.
Zusätzliche Freiheitsgrade ergeben sich bei einer Verfahrensvariante, bei der sowohl die Lage des oberen Umkehrpunkts UO als auch die Lage des unteren Umkehrpunkts UU als Funktion der Zeit bzw. als Funktion des Hubs gezielt verändert wird. Bei der Beispiel-Honoperation aus Fig. 8 beginnt die Honoperation mit einer ersten Honphase PH1 , bei der, wie in den anderen Beispielen, das Honwerkzeug die gesamte Bohrungslänge mit entsprechend großem Hub bearbeitet. Dann wird auf die zweite Honphase PH2 umgeschaltet. Während der zweiten Honphase wird der obere Umkehrpunkt UO inkrementell von Hub zu Hub in Richtung des bohrungsfernen Endes verlagert. Der untere Umkehrpunkt UU wird unmittelbar nach Ende der ersten Hon- phase PH1 über seinen gewünschten Wert am Ende der zweiten Honphase (horizontale gestrichelte Linie) angehoben, so dass die Hubiänge kürzer ist als in einem vergleichbaren Fall ohne Veränderung der Lage des unteren Umkehrpunkts. Dann wird die Lage des unteren Umkehrpunkts von Hub zu Hub inkrementell abgesenkt, bis der untere Umkehrpunkt seine auch am Ende der zweiten Honphase gewünschte Position erreicht. Die untere Hublage kann beispielsweise um ca. 0,1 mm/Hubinkrement abgesenkt werden. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch in manchen Fällen der Verlauf des Drehmoments im Vergleich zu einem unveränderten unteren Umkehrpunkt im Sinne einer besseren Konstanz verbessert werden kann.
In vielen Fällen sind die Makroform der Bohrung und die Mikrostruktur der Bohrungsinnenfläche nach der Hubveränderungsphase innerhalb der vorgegebenen Spezifikation so gut, dass die Honbearbeitung mit der Hubveränderungsphase abschließen kann und das Werkstück danach fertig bearbeitet ist. In diesem Fall kann die Hubveränderungsphase die letzte Phase der Honbearbeitung sein. Es ist jedoch auch möglich, mindestens eine weitere Honphase mit bestimmten Honparametern nachzuschalten.
Es kann beispielsweise Fälle geben, in welchen es sich bei der zu erzeugenden Formhonung nicht um eine Glatt- oder Feinhonung handelt, in diesen Fällen ist in der Regel für die fertig bearbeitete Bohrung ein zu erzeugender Honwinkei definiert, z.B. ein Honwinkel im Bereich von 40° bis 60° bei einer konventionellen Plateauhonung. Bedingt durch die Hubverlagerung während der Konturerzeugung kann es sein, dass in diesem Bereich andere als die gewünschten Honwinkel entstehen, z.B. Honwinkel von weniger als 15°. Dies kann in manchen Fällen bei der nachfolgenden, Honoperation nicht mehr korrigiert werden. Es ist auch möglich, dass bei der Erzeugung der Kontur durch die Hubverlagerung ein„Stufenprofil" an der Bohrungsinnenfläche erzeugt. Dies kann bei ungünstigem Schneidverhalten der nachfolgenden Honphasen unter Umständen nicht mehr ausreichend egalisiert werden. Außerdem kann es sein, dass keine gezielte Möglichkeit zur Verrundung des Übergangs vom zylindrischen zum konischen Bohrungsbereich existiert. Weiterhin kann es vorkommen, dass es an lokalen Problembereichen einzelner Bauteile schwierig ist, konstant gute Form- und Rundheitswerte zu erzielen. Beispielsweise kann es Abschnitte mit schwacher Zylinderrohranbindung geben, in welchen es schwierig sein kann, die geforderte Rundheit zu erzielen.
Insbesondere in solchen Fällen kann eine zusätzliche weitere Honphase (dritte Honphase) mit frei wählbarer Hublage, Hubgeschwindigkeit, Drehzahl, Aufweitkraft, Aufweitgeschwindigkeit und Betriebsart (Aufweitung: Kraft/Weg) vorgesehen sein. Die Honparameter können z.B. so eingestellt werden, dass nach der Konturerzeugung praktisch jeder Honwinkel erzeugt werden kann. Ein anderer Satz von Honparametern kann eingestellt werden, um nach der Konturerzeugung ein evtl. vorhandenes „Stufenprofil" zu egalisieren und/oder um Übergänge zu „verrunden". Alternativ oder zusätzlich kann eine dritte Honphase als positionsbezogenes Ausfeuern programmiert werden, um an lokalen Problembereichen einzelner Bauteile (Bsp.: schwache Zylinderrohranbindung) die Rundheit positiv zu beeinflussen. Es hat sich gezeigt, dass dadurch prozesssichere Rundheitswerte auch an labil angebundenen Zylinderrohren erzielbar sind.

Claims

Patentansprüche
1. Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mithil- fe mindestens einer Honoperation, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, worin
während einer Honoperation ein an eine Spindel angekoppeltes, aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung hin und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung mit einem über die Spindel übertragenen Drehmoment gedreht wird,
eine in Bezug auf eine Bohrungsachse rotationssymmetrische, von der Kreiszylinderform abweichende Bohrungsform mit einem axialen Konturverlauf erzeugt wird, und
zur Erzeugung eines axial variierenden Materialabtrags in mindestens einer Hubveränderungsphase (PH2) eine Hublänge und/oder eine Hublage der Hubbewegung verändert wird, gekennzeichnet durch
eine Steuerung des über die Spindel auf das Honwerkzeug übertragenen Drehmoments (DM) in der Weise, dass das Drehmoment während der Hubveränderungsphase im Wesentlichen konstant bleibt.
2. Honverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung des Drehmoments (DM) in mindestens einer Drehzahlveränderungsphase eine von der Hublänge abhängige Veränderung der Drehzahl (DZ) des Honwerkzeugs in der Weise erzeugt wird, dass die Drehzahl bei Reduzierung der Hublänge reduziert wird.
3. Honverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Drehzahl (DZ) nach Maßgabe einer vorgegebenen Drehzahlveränderungsfunktion erfolgt.
4. Honverfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung der Drehzahl (DZ) in Abhängigkeit von der Hublänge gesteuert wird in der Weise, dass die Drehzahl jedenfalls dann reduziert wird, wenn die Hublänge weniger als 150%, insbesondere weniger als 100% der axialen Länge von Schneidstoffkörpern des Honwerkzeugs entspricht.
5. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass empirisch oder theoretisch bestimmte Zusammenhänge zwischen Hublänge und Drehzahl für bestimmte Kombinationen von Werkzeug- und Werkstücktypen in einem Speicher einer Steuereinrichtung (180) einer Bearbeitungsmaschine (100) in Form geeigneter Datensätze hin- teriegt werden und auf diese Daten bei der Programmierung der Steuerung für einen Honpro- zess zugegriffen wird.
6. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Regelung des Drehmoments (DM) eines zur Drehung der Spindel vorgesehenen Spindelantriebs (1 18).
7. Honverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Spindelantrieb (1 18) ein das aktuelle Drehmoment des Spindelantriebs repräsentierendes Drehmoment-Signal erfasst und mit einem einen Sollwert des Drehmoments repräsentierenden Sollwert-Signal zur Ermittlung einer Sollwertabweichung verglichen wird und eine Steuerung des Drehmoments des Spindelantriebs in Abhängigkeit von der Sollwertabweichung erfolgt.
8. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Soll-Verlauf des Sollwert des Drehmoments für eine Honoperation vorgegeben und eine Drehzahl nach Maßgabe des Soll-Verlaufs gesteuert wird.
9. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Hublänge und/oder der Hublage während der Hubveränderungsphase (PH2) eine Position eines oberen Umkehrpunkts (UO) und/oder eine Position eines unteren Umkehrpunkts (UU) einer Hubbewegung nach Maßgabe einer Voreinstellung verändert wird.
10. Honverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens über eine Phase die Position eines oberen Umkehrpunkts (UO) und die Position des unteren Umkehrpunkts (UU) zwischen aufeinander folgenden Hüben verändert wird.
11. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, das mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist:
(i) an der ringförmigen Schneidgruppe (220) sind mehr ais 60% des Umfangs mit Schneidmittel belegt, insbesondere mehr als 70% oder mehr als 80% des Umfangs der Schneidgruppe;
(ii) die axiale Länge (LHS) der Schneidstoffkörper liegt bei weniger als 50% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe, insbesondere zwischen 10% und 30% dieses Außendurchmessers;
(iii) die axiale Länge (LHS) der Schneidstoffkörper liegt im Bereich von 5 mm bis 90 mm; (iv) die axiale Länge (LHS) der Schneidstoffkörper beträgt weniger als 35% der Bohrungslänge der Bohrung.
12. Honverfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidstoffkörper als in Umfangsrichtung breite und in Axialrichtung schmale Honsegmente (220-1 , 220-2, 220-3) gestaltet sind, wobei eine in Axialrichtung gemessene axiale Länge der Honsegmente kleiner als die in Umfangsrichtung gemessene Breite ist.
13. Honverfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidgruppe mindestens drei Honsegmente (220-1 , 220-2, 220-3) aufweist, wobei vorzugsweise drei, vier, fünf oder sechs Honsegmente gleicher oder unterschiedlicher Umfangsbreite vorgesehen sind.
14. Bearbeitungsmaschine (100) zur Feinbearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück (106) mithilfe mindestens einer Honoperation, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, mit mindestens einer Spindel (120) zur Bewegung eines an die Spindel angekuppelten Honwerkzeuges (200) innerhalb der Bohrung derart, dass durch mindestens einen an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper eine Bearbeitung der Innenfläche erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsmaschine dafür konfiguriert ist, ein Honverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 an dem Werkstück durchzuführen.
15. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (180) der Bearbeitungsmaschine eine Einrichtung zur Einstellung eines Drehmoment-Sollwerts und eines Drehmoment-Fensters um den Drehmoment-Sollwert aufweist.
PCT/EP2016/053086 2015-02-20 2016-02-15 Honverfahren und bearbeitungsmaschine zum formhonen WO2016131735A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16704231.6A EP3259098B1 (de) 2015-02-20 2016-02-15 Honverfahren und bearbeitungsmaschine zum formhonen

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015203051.2A DE102015203051A1 (de) 2015-02-20 2015-02-20 Honverfahren und Bearbeitungsmaschine zum Formhonen
DE102015203051.2 2015-02-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016131735A1 true WO2016131735A1 (de) 2016-08-25

Family

ID=55353210

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/053086 WO2016131735A1 (de) 2015-02-20 2016-02-15 Honverfahren und bearbeitungsmaschine zum formhonen

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3259098B1 (de)
DE (1) DE102015203051A1 (de)
HU (1) HUE057867T2 (de)
WO (1) WO2016131735A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110877284A (zh) * 2019-12-11 2020-03-13 宁夏银川大河数控机床有限公司 一种珩磨加工的控制方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016105717A1 (de) * 2016-03-29 2017-10-05 Gehring Technologies Gmbh Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer, nicht zylindrischer Bohrungen mit einem Honwerkzeug
DE102017210187A1 (de) 2017-06-19 2018-12-20 Elgan-Diamantwerkzeuge Gmbh & Co. Kg Honverfahren und Bearbeitungsmaschine zum Konturhonen
DE102017121269A1 (de) * 2017-09-14 2019-03-14 Microcut Ltd. Verfahren und Vorrichtung zur Feinbearbeitung von zylindrischen Werkstückflächen
DE102018211685A1 (de) 2018-07-13 2020-01-16 Elgan-Diamantwerkzeuge Gmbh & Co. Kg Honverfahren und Bearbeitungsmaschine zum Konturhonen

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1790435A1 (de) * 2005-11-25 2007-05-30 NAGEL Maschinen- und Werkzeugfabrik GmbH Verfahren zum Honen von Bohrungen sowie Honwerkzeug hierfür und gehontes Werkstück
DE102007032370A1 (de) * 2007-07-06 2009-01-08 Elgan-Diamantwerkzeuge Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Bearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, Bearbeitungsmaschine hierfür sowie Werkstück
EP2123399A2 (de) * 2008-05-22 2009-11-25 Nissin Manufacturing Co., Ltd. Schleifsteinkontaktfühlverfahren und Vorrichtung und Honverfahren und Honmaschine
WO2014146919A1 (de) * 2013-03-18 2014-09-25 Elgan-Diamantwerkzeuge Gmbh & Co. Kg Honverfahren und honwerkzeug

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1581491A (de) * 1968-03-26 1969-09-19

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1790435A1 (de) * 2005-11-25 2007-05-30 NAGEL Maschinen- und Werkzeugfabrik GmbH Verfahren zum Honen von Bohrungen sowie Honwerkzeug hierfür und gehontes Werkstück
DE102007032370A1 (de) * 2007-07-06 2009-01-08 Elgan-Diamantwerkzeuge Gmbh & Co. Kg Verfahren zur Bearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, Bearbeitungsmaschine hierfür sowie Werkstück
EP2123399A2 (de) * 2008-05-22 2009-11-25 Nissin Manufacturing Co., Ltd. Schleifsteinkontaktfühlverfahren und Vorrichtung und Honverfahren und Honmaschine
WO2014146919A1 (de) * 2013-03-18 2014-09-25 Elgan-Diamantwerkzeuge Gmbh & Co. Kg Honverfahren und honwerkzeug

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110877284A (zh) * 2019-12-11 2020-03-13 宁夏银川大河数控机床有限公司 一种珩磨加工的控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP3259098A1 (de) 2017-12-27
EP3259098B1 (de) 2022-01-19
HUE057867T2 (hu) 2022-06-28
DE102015203051A1 (de) 2016-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2976184B1 (de) Honverfahren und honwerkzeug
EP3259098B1 (de) Honverfahren und bearbeitungsmaschine zum formhonen
EP1815944B1 (de) Verfahren zum Honen von Bohrungen sowie Honmaschine hierfür
EP2277662A1 (de) Verfahren zum Honen von Bohrungen sowie Honmaschine
EP3164244B1 (de) Honwerkzeug und honverfahren
EP3641985B1 (de) Honverfahren und bearbeitungsmaschine zum konturhonen
DE10358150B4 (de) Verfahren zum Honen von Bohrungen
DE102015221714A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung nicht zylindrischer Bohrungen mit mindestens einer Aussparung durch Honen
EP3148745B1 (de) Honverfahren zur feinbearbeitung von bohrungen
DE102015203052B4 (de) Honverfahren zum Formhonen
EP1815943A1 (de) Verfahren und Honen von Bohrungen sowie Honmaschine hierfür
EP3820646A1 (de) Honverfahren und bearbeitungsmaschine zum konturhonen
EP3781352A1 (de) Feinbearbeitungsverfahren zum herstellen einer nicht-kreiszylindrischen bohrung sowie feinbearbeitungssystem und schleifwerkzeugeinheit
WO2017167829A1 (de) Verfahren zur herstellung rotationssymmetrischer, nicht zylindrischer bohrungen mit einem honwerkzeug und honmaschine, die zur konifizierung einer zylindrischen bohrung ausgebildet und eingerichtet ist
DE102014225164B4 (de) Feinbearbeitungsverfahren zum Herstellen einer rotationssymmetrischen Bohrung mit axialem Konturverlauf
DE102010052271B4 (de) Honwerkzeug und Verfahren zum Honen der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück
DE102013222359B4 (de) Verfahren zur Feinbearbeitung von Wellen, insbesondere Kurbelwellen, sowie Feinbearbeitungsanlage dafür
DE102017121269A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Feinbearbeitung von zylindrischen Werkstückflächen
DE102017121272A1 (de) Feinbearbeitungsmodul für eine Werkzeugmaschine und Bearbeitungsverfahren

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16704231

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2016704231

Country of ref document: EP