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EP1815943A1 - Verfahren und Honen von Bohrungen sowie Honmaschine hierfür - Google Patents

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Info

Publication number
EP1815943A1
EP1815943A1 EP06002093A EP06002093A EP1815943A1 EP 1815943 A1 EP1815943 A1 EP 1815943A1 EP 06002093 A EP06002093 A EP 06002093A EP 06002093 A EP06002093 A EP 06002093A EP 1815943 A1 EP1815943 A1 EP 1815943A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bore
honing
movement
honing tool
cutting group
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06002093A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolf Nagel
Uwe-Peter Weigmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Original Assignee
Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH filed Critical Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority to EP06002093A priority Critical patent/EP1815943A1/de
Priority to EP07002277A priority patent/EP1815944B1/de
Priority to DE502007004360T priority patent/DE502007004360D1/de
Priority to AT07002277T priority patent/ATE473840T1/de
Publication of EP1815943A1 publication Critical patent/EP1815943A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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

Definitions

  • the invention relates to a method for honing the inner surface of a bore in a workpiece, in particular for honing a cylinder surface in the manufacture of engine blocks for internal combustion engines, as well as a honing machine which is particularly suitable and configured for carrying out the method.
  • the European patent application EP 1 321 229 A1 describes a method for producing a bore, which in the unloaded state Has starting shape and in the operating state a deviating from the initial form target shape.
  • the method includes determining the deformation of a hole with a desired shape in the operating state. By means of the desired shape and the determined deformation, the initial shape is determined and the bore is brought by a machining process in the initial shape.
  • the initial shape produced by the method should assume the desired desired shape in the operating state.
  • the machining method for producing the initial shape is a honing method in which the infeed pressure of at least one honing stone attached to a honing tool is varied during the machining time.
  • Form honing is explained using the example of deformed cylinder blocks in which the cylinder bores have a four-fold symmetrical fourth-round runout, ie a bore shape with 4-fold radial symmetry relative to the bore axis.
  • This non-circular bore shape is achieved by controlling the feed force or the contact pressure of a simply expanding honing tool on the stroke and the rotation angle.
  • the invention provides a method having the features of claim 1 and a honing machine having the features of claim 14.
  • Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated herein by reference.
  • a honing tool is moved within the bore and at least one attached to the honing tool cutting group with at least one cutting body for material-removing machining Inner surface is pressed with a feed force to the inner surface.
  • a vibration movement of the cutting group is generated substantially parallel to the inner surface in accordance with at least one vibration parameter and a displacement movement of the cutting group along the inner surface superimposed on the oscillation movement in accordance with at least one displacement parameter and there is a control of the oscillation movement and / or the displacement movement to generate a via the Inner surface locally varying material removal on the inner surface for generating a predetermined desired shape of the bore.
  • the oscillation movement or oscillation movement of the cutting group can be adapted to the requirements with regard to the oscillation amplitude, the oscillation frequency and / or the oscillation direction become.
  • the displacement movement can be controlled continuously or discontinuously, in particular the displacement direction and / or the displacement speed being controlled as the displacement parameter.
  • the displacement movement is normally controlled so that each area of the inner surface is reached by at least one cutting material body of a cutting group and processed material removal, so that a material removal can be achieved across the board. It is also possible to process only partial areas of the inner surface by means of the method.
  • the method is particularly suitable for producing noncircular cylindrical desired shapes whose shape deviations from an ideal circular cylindrical shape are clearly outside the usual tolerances in the honing methods considered here the cylindricity error, which in many cases should be less than 10 ⁇ m.
  • the shape deviations correspond to a cylindricity error of significantly more than 10 .mu.m, the cylindricity error preferably being more than 20 .mu.m, in particular between 20 .mu.m and about 60 .mu.m.
  • the cylindricity error is described here by the cylinder shape tolerance.
  • the associated tolerance zone is determined by two to the bore axis and mutually coaxial, the bore inner wall inside or outside touching cylinder, wherein the radial distance between the two cylinders is a measure of the cylinder quality.
  • the method makes it possible to control the material removal substantially via the vibration parameter and the displacement parameter, so that it is possible to dispense with a variation of the feed force or the contact pressure of the cutting group.
  • the cutting group is pressed against the inner surface with a substantially constant feed force.
  • cutting material bodies are thus pressed with a substantially constant surface pressure, so that the penetration depth of the cutting grains and thus the surface roughness generated during material removal are largely constant.
  • the surface topography which can be described by roughness parameters is thus largely independent of the macro-shape of the bore. Therefore, even with significant shape deviations from a circular cylindrical shape, a uniform roughness profile can be produced at the bore.
  • the oscillatory motion is maintained substantially constant and the control of the displacement motions is performed in response to the desired shape.
  • a total overflow time total processing time
  • the displacement movement is controlled such that, based on the displacement movement, each area of the inner surface is processed only a maximum of once by a cutting group of the honing tool.
  • the displacement movement can take place, for example, by passing the tool through a hole from top to bottom in conjunction with a rotation of the tool. In this way, a particularly fast machining process is possible. To produce larger differences in the removal at different points of the bore and a multiple pass is possible.
  • the oscillatory movement of the cutting group can be generated by the fact that the cutting group is driven to oscillate relative to the tool body of the honing tool.
  • an oscillating drive integrated in the honing tool can be provided.
  • Preferred variants of the method can be carried out with conventional honing tools by the honing tool is set in the oscillatory movement and displacement movement by means of the required for the tool movement drives.
  • the honing tool for generating the oscillatory motion is set in a circumferentially oscillating motion, preferably without simultaneous axial oscillatory movement.
  • the angular amplitudes the oscillation movement oscillating in the circumferential direction is typically well below 180 °, in particular at less than 90 ° and / or less than 45 °. For example, they may be less than 30 degrees or less than 20 degrees. Values from 1 ° to 10 ° have proven to be practicable in many cases as the lower limit for the angle amplitude.
  • the oscillatory motion may also have an axially directed component which may be provided alone or in conjunction with a circumferentially directed component. If an axially oscillating motion is provided, its amplitude is typically in the range between about 1% and about 10% of the axial tool length, i. the axial length, in the cutting material body are in material-removing engagement with the inner surface.
  • a substantially rigid guidance of the axial movement of the honing tool for generating an axial movement of the honing tool substantially parallel to the bore axis of the bore and, if necessary temporally asymmetric, controlling the vibration movement and / or the displacement movement of a one-sided tool axis on the Honing tool attached cutting group provided in dependence on the stroke position and / or the angular position of the honing tool.
  • this cutting group it is possible for this cutting group to effect a removal of material in its pressure angle range without this necessarily leading to a comparable material removal on the diametrically opposite side of the bore inner surface.
  • the contact pressure of the cutting group counteracting opposing force is not applied by material-removing cutting material on the diametrically opposite side, but by the substantially rigid guidance of the axial movement of the honing tool, which prevents dodging of the honing tool transverse to the tool axis in one-sided pressing the cutting material body to the bore inner surface.
  • the method can be carried out in particular such that the bore receives a non-circular-cylindrical bore shape, at least in an axial bore section, which deviates significantly from a two-fold radially symmetrical shape with respect to the bore axis.
  • the honing tool is supported for substantially rigid guidance of the axial movement within the bore in an axially slidable manner and substantially immovably transversely to the tool axis. This makes it possible to dispense with outside of the workpiece to be arranged guide devices.
  • a honing tool is used for this purpose, which comprises a set of distributed around the circumference of the honing tool guide rails for axial guidance of the honing tool in the bore, which are preferably fed independently of the cutting group in the direction of the inner surface of the bore, wherein the Substantially rigid guidance of the axial movement is achieved in that the guide rails are pressed during the movement of the honing tool in the bore to the inner surface of the bore.
  • the guide rails center the honing tool within the bore.
  • the guide rails are preferably designed so that they generate little or no material removal, which is referred to herein as "substantially non-cutting guide rails".
  • the guide rails can at least in the coming into contact with the inner surface of the bore areas of a plastic, rubber, an elastomer of suitable hardness (eg Vulkollan®), a metal, a hard metal or a ceramic or it can be honing stones with a act high proportion of cutting material.
  • the substantially rigid guidance of the axial movement of the honing tool is attained in that the honing tool is guided axially immovably outside the bore of the workpiece and substantially immovably transversely to the tool axis.
  • a one-sided guide exclusively on the inlet side of the bore a one-sided guide only on the inlet side gegenübexcellent outlet side of the bore (for through holes), or provided a two-sided guide both on the inlet side, as well as on the gegenübrace outlet side be.
  • a rigidly against transverse load coupling of the honing tool to a rigidly guided against transverse load honing spindle may possibly also be sufficient to ensure the rigid guidance of the axial movement of the honing tool. Then possibly can be completely dispensed with guide elements in the field of honing tool.
  • the exclusively external guidance of the axial movement of the honing tool requires the highest accuracy in the relative positioning between the workpiece and the honing tool.
  • a honing tool which has a single separately deliverable cutting group, which preferably has a pressure angle of less than 90 °.
  • the term "pressure angle” here describes the angular range along the circumference of the honing tool, are in the cutting material body of the cutting group in engagement with the bore wall. Often it is advantageous if the pressure angle between about 1 ° and about 70 °, it may for example be between 5 ° and 60 ° and / or between 20 ° and 45 °. The smaller the pressure angle, the more accurate is a complex shape of the contour of the inner surface to be achieved by controlling the feed force in dependence on the angular position of the honing tool. It is also possible to use honing tools with several independently deliverable cutting groups.
  • the cutting material bodies can also be distributed symmetrically or almost symmetrically over the circumference of the honing tool.
  • desired shapes can be generated with a twofold or multiple radial symmetry, since a vibratory motion and a displacement movement of the honing tool can equally affect all cutting material bodies.
  • substantially rigid guidance of the axial movement of the honing tool can be dispensed with in these cases.
  • the invention also relates to a honing machine having a motion control device for controlling the movement of at least one attached to a honing tool cutting group in response to the stroke position and / or the angular position of the honing tool in a bore, wherein the motion control means for generating a vibrational movement of the Cutting group essentially is configured parallel to an inner surface of the bore in accordance with at least one vibration parameter and for generating a displacement movement of the cutting group along the inner surface of the bore superimposed on the oscillation movement in accordance with at least one displacement parameter.
  • the motion control device of a conventional honing machine may be modified such that the known long-stroke lifting movement and the circumferential movement of the honing tool can be superimposed on an oscillation in the lifting and / or circumferential direction with a significantly shorter stroke.
  • both the lifting and / or circumferential speed of the long-stroke movements, and the lifting and / or peripheral speed of the relatively short-stroke oscillatory motion in each case depending on the lifting and angular position of the honing tool separately adjustable Supporting can also be provided an adjustment to change the contact pressure of the cutting material body in dependence on the lifting and angular position.
  • the generated bore inner surface is characterized by a very small variation of the roughness. This reduces the material removal required in the subsequent surface-forming machining operations, so that these processes can be carried out in shorter processing times.
  • the machining tracks of the short-stroke machining produced by the oscillatory movement of the cutting group on the inner surface are usually recognizable. As a rule, however, it is the case that these machining tracks are removed again in subsequent machining operations which essentially change only the surface topography.
  • FIG. 1 schematically shows the front view of a honing machine 100 that can be used in various embodiments of methods according to the invention for machining inner surfaces of bores in workpieces in order to carry out one or more honing operations on the 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 of a multi-cylinder internal combustion engine.
  • a workpiece 106 clamped thereon which in the example is an engine block of a multi-cylinder internal combustion engine.
  • the engine block several cylinder bores are formed with a generally vertical orientation of their cylinder axes.
  • the cylinder 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 their surface topography is produced by suitable honing processes.
  • two essentially identical honing units 110, 112 are mounted on a portal-like support structure 108 and 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 mounted on the support structure spindle box 114 which guides the honing spindle 120.
  • the honing spindle can be rotated around its longitudinal axis by means of a spindle motor 118 attached to the spindle box.
  • the lower end of the honing spindle is formed by a joint rod, at the lower, free end of which the honing tool 150 serving as a machining tool is mechanically coupled in a limited manner.
  • a linear actuator 124 mounted on the headstock 114 effects vertical movement of the honing spindle upon insertion of the tool into the workpiece or withdrawal from the workpiece and is controlled during the honing process so that the honing tool makes vertical reciprocation within the bore of the workpiece ,
  • the spindle motor 118 and the linear actuator 124 are driven by a motion controller 180, which forms a subsystem of the overall control of the honing machine.
  • the motion controller 180 controls all honing axes of the honing machine.
  • This control system is used to create the added compared to conventional Honsystemen vibrational movement of the cutting group and to superimpose the displacement movement.
  • a suitable work program of the computer numerical control can be provided.
  • the following parameters can be set in the controller as a function of the stroke and angular position of the honing tool: (1) stroke and / or peripheral speed of the long-stroke displacement movements; (2) lifting and / or peripheral speed of short-stroke oscillatory movements.
  • the honing machine is equipped with a feed system 140 which comprises two independently operable feeders associated with different sets of elements on the honing tool.
  • Fig. 2 shows a schematic oblique perspective view of a cylinder block (engine block) 200 for a 4-cylinder internal combustion engine.
  • the cylinder block consisting of a cast material or a light metal material
  • four axially parallel cylinder bores 201, 202, 203, 204 are arranged at equal distances in series next to one another in such a way that their central bore axes lie in a common plane (cylinder plane 212).
  • cylinder plane 212 From the upper side of the cylinder block are provided with internal thread holes 215 axially parallel to the cylinder bores so introduced that four of these holes are evenly distributed around the circumference of a cylinder bore.
  • the holes 215 serve to receive cylinder head bolts, with the help of which, after completion of the processing of the cylinder block, the associated cylinder head is screwed onto the cylinder block 200 with the interposition of a cylinder head gasket.
  • the cylinder block 200 is a structurally non-uniform workpiece, in which in particular each of the cylinder bores 201-204 has a different workpiece environment, in particular with regard to the wall thickness in the region of the cylinder bores and also by different connections to the coolant channels of the engine block internal cooling system.
  • the inner cylinder bores 202 and 203 of the second and third cylinders each have two adjacent cylinder bores lying in the cylinder plane, while the outer cylinder bores (cylinders 1 and 4) have only one in each case adjacent inner cylinder bore and border on the opposite side to thicker wall sections of the workpiece.
  • a honing tool 250 is coupled, in which it is a gimbal-mounted honing tool with double widening.
  • the honing tool has a tool body 255 which carries on one side of its circumference a cutting group 260 formed by a single honing stone, which can be delivered or withdrawn in the radial direction to the bore inner wall by means of a not-shown cutting group delivery system.
  • the cutting group 260 is attached on one side to the honing tool.
  • the feed movement of both the guide rails and the cutting group and the respectively applied feed force are using a Zustellkraft-control device 290 of the honing machine independently controlled.
  • the movements of the honing tool within the bore are controlled by the motion controller 280.
  • FIGS. 3 and 4 how, in a preferred embodiment of the machining method, by means of suitable control of the oscillation movement and the displacement movement of a cutting group of the honing tool at different locations on the inner surface of a bore, different degrees of material removal can be achieved in order to form a non-circular-cylindrical bore shape to create.
  • 3 schematically shows an axial section through a cylinder bore 303 of an engine block 300. Introduced into the cylinder bore is a honing tool, of which only one honing blade 360 is shown, which forms the only cutting group of the honing tool and which is in cutting engagement with the inner surface 330 the hole is.
  • a work program is active, which controls a vibratory movement and a displacement movement of the honing tool and the cutting group superimposed on the oscillating motion.
  • the oscillatory motion is composed of a circumferentially directed component (direction of the vector V 2 ) and an axially directed component (direction of the vector V 1 ), wherein both the vibration amplitude and the vibration frequency can be set as vibration parameters on the motion control device ,
  • the oscillation amplitude in the axial direction (vector V 1 ) is set to the value 0, so that there is only an oscillatory movement in the circumferential direction (vector V 2 ), in which the cutting group 360 is oscillating in the circumferential direction with an angle amplitude of approximately 4 ° and a frequency of about 2 Hz is reciprocated.
  • This oscillating machining movement generates in connection with the contact pressure at the location of the cutting group constant predetermined by the Zustellkraft-control device a material removal, the amount of which is substantially proportional to the present at each location processing time (or inversely proportional to the local displacement speed).
  • the oscillation movement is superimposed on a displacement movement of the cutting group in the direction of the displacement vector V 3 , whereby both the direction and the speed of this displacement movement (speed v 3 ) can be predetermined as displacement parameters on the motion control device.
  • the direction of the displacement movement is variable and ensures that the cutting group reaches all areas of the bore inner surface.
  • the displacement movement is parameterized in such a way that the honing bar 360 generates a rotational movement (in the circumferential direction), which is applied to the classical honing, in conjunction with an alternating stroke movement in the axial direction (see dashed arrow).
  • the velocity v 3 of the displacement movement is varied.
  • the control of the displacement speed v 3 takes place as a function of the required desired shape of the bore.
  • the change in the displacement speed results in locally different processing times, so that different degrees of material separations are achieved locally in the bore. This is shown schematically in FIG.
  • constant oscillation movement ie constant oscillation amplitude, frequency and direction
  • an approximate proportionality between material removal A and displacement velocity v 3 results since in regions of higher displacement speed the local processing time and thus the locally achieved material removal is lower than in regions of lower displacement speed. Accordingly, the control will be so programmed that in areas with required strong material separation, the displacement speed v 3 is low or zero for a fixed time interval, while for areas with required lower material separation, a higher displacement speed is provided.
  • the components of the oscillatory motion in the circumferential direction and in the axial direction may have constant or variable amplitudes and / or frequencies.
  • the change in amplitude and / or frequency can be used to support the control of the removal.
  • the oscillation frequency can be increased in order to achieve an increased removal rate for the same residence time of the cutting group on the bore inner surface.
  • the surface pressure is controlled as a variable, that is, that the contact pressure of the cutting group is varied depending on the stroke position and / or the angular position of the honing tool or cutting group.
  • the control curve of the responsible for the material removal parameter depends on the desired shape of the hole.
  • Fig. 5 (a) shows a schematic circumferential plot
  • Fig. 5 (b) a schematic longitudinal plot of the dimensions of a cylinder surface.
  • radial distances of the bore inner wall from the bore axis BA are shown as a function of the circumferential position along the bore inner surface, wherein the zero point of the circumferential direction and the 180 ° position in the cylinder plane 212 defined by the bore axes of the cylinders (see FIG. and the 90 ° and 270 ° positions represent the perpendicular areas near the front and rear broad sides of the cylinder head.
  • the curves R O , R M and R U represent the radius in the vicinity of the upper inlet opening of the cylinder bore (R O ), in the axial center region of the cylinder bore (R M ) and in the vicinity of the lower end of the cylinder bore (R U ).
  • the circulating measuring curves of the peripheral document are each related to a zero line lying concentrically to the bore axis, which in the representation in FIG. 6 (a) is shown in dashed lines. The same radial scale in the radial direction serves for all measuring curves.
  • the longitudinal letters in FIG. 5 (b) each show the course of the surface lines (parallel to the bore axis) in the selected circumferential regions at 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °.
  • the measurement results represent the marginal fourth cylinder bore 204 in FIG. 1. It can be seen that the bore near the cylinder head side entry side (represented by the curve R O ) has approximately 2-fold radial symmetry about the bore axis BA at which the largest diameter obliquely to the cylinder plane in the range of the circumferential angle 135 ° or 315 ° results, while perpendicular thereto (corresponding to angular positions 45 ° and 225 °) also local Form maxima of the radius, which are however at smaller absolute radius values.
  • the approximately 2-fold symmetrical basic shape are superimposed on smaller radius fluctuations, for example in the range of 180 °.
  • curve R M In the axial center region of the bore (curve R M ) results in a much more complex relationship between circumferential position and bore radius or bore diameter. In the example shown, approximately eight local maxima of the inner radius, which are separated by local minimums of the inner radius, result in the circumferential direction. The largest radii tend to remain inclined to the cylinder plane.
  • the bore cross section is also asymmetrical, but the 2-fold radial symmetry still indicated at the cylinder head end no longer dominates and dominates an almost completely irregular bore cross-sectional shape.
  • the asymmetrically warped hole shape that can be characterized in this way corresponds to a cylindricity ⁇ Z of between 30 ⁇ m and 40 ⁇ m.
  • This complex and asymmetrically deformed Bore geometry will deform into a largely cylindrical bore shape when mounting and screwing a cylinder head and heating the resulting hull motor in the range of operating temperatures again. It thus forms approximately a negative form of the deformations in the operating state.
  • FIG. 6 shows, by way of example for two axial positions of the cylinder (represented by the curves R 0 and R M ) in FIG. 6 (a), the stroke and rotation angle-dependent radius profile of the bore and in FIG. 6 (b) the associated profile of the reciprocal value 1 / V of the displacement speed V of a short-stroke oscillating in the circumferential direction cutting group on the rotation angle ⁇ , respectively in the corresponding axial heights.
  • F const
  • the broken line V O represents that variation of the reciprocal of the displacement speed over the rotation angle which would be required when a honing tool whose oscillating cutting group is circumferentially displaced in the upper end portion of the cylinder bore processes the inner surface.
  • the solid line V M corresponds to the temporal variation or angle variation that would be required in the middle region of the bore (R M ).
  • the cylinder bore can be measured by means of a shape measuring system. Any existing, measured difference between the actual shape and the desired shape can be used to correct the machining parameters as a function of stroke position and angle of rotation.
  • a measurement of the bore shape for determining actual shape values can thus be carried out, and a difference between the shape Is values and the desired shape can be processed to correct the control of the material-removing machining.
  • a vibrator may be installed which decouples the part of the spindle carrying the honing tool 150 from a drive-side part of the spindle and permits relative movement of the honing-tool-carrying section with respect to the drive-side section in the axial direction and / or in the circumferential direction, around the oscillation movement to realize the cutting group.
  • FIG. 7 shows, by way of example, a honing tool 700 with four homogeneous honing stones 760 distributed symmetrically around the circumference, which are actuated together via a single, common feed system 770. There are no expandable or non-expandable guide rails.
  • Such simply constructed honing tools can be used in particular if substantially rotationally symmetrical bore shapes are to be produced, if necessary with a diameter which varies greatly in the axial direction, and / or bore shapes with a 4-fold radial symmetry.
  • the honing tool 800 in FIG. 8 is a double widening system, ie with two independently operable infeed systems. In this case, four uniformly distributed around the circumference first honing stones 860 are adjusted together via a first feed system 870. A honing blade 810 arranged symmetrically in the circumferential direction between two honing stones 860 is actuated via a separate second delivery system 820.
  • a dominant 4-fold rotational symmetry of the bore shape can be generated with suitable control of the movement speed of the honing tool.
  • the individual honing stone 810 is simultaneously delivered, which then generates a targeted local material removal, for example, to produce a bore shape with a deviating from a 2-fold radial symmetry geometry (see, for example, Fig. 5).
  • Zustellsysteme are independently controllable as a function of stroke position and angular position of the honing tool.
  • an ovality can be generated, which can be superimposed on a fourfold symmetrical shape.
  • FIG. 9 shows schematically a honing tool 900, which is designed as a Mehrancenhonwerkmaschine.
  • a single material-removing honing stone 960 is arranged on one side of the honing tool.
  • two guide belts 970 which can also be delivered, but which do not cut, are arranged, which with respect to their construction can substantially correspond to the guide rails 270 in FIG. 2.
  • the single honing stone 960 and the non-cutting guide rails 970 are delivered via a common infeed device 980.
  • the guide rails 970 absorb the counterforce of the machining force generated by the honing stone 960.
  • a honing tool with a unidirectional honing stone, which is also supported by guide rails, which are located on the opposite side (similar to Fig. 9), but not extended (delivered).
  • a not shown variant of a honing tool with double widening has a first cutting group, which is effective in a first axial portion of the honing tool, and at least one second, separately deliverable cutting group, which is offset in the axial direction first cutting group is located, for example, above the first cutting group or below the cutting group (seen in the axial direction). It is possible to control such a honing tool so that the different, axially offset cutting regions are acted upon by different Aufweit practitionern, thereby to achieve different ablations in different axial heights of the bore.
  • a further, not shown variant of a honing tool with double widening has a first cutting group, which is effective in a first circumferential angular range of the honing tool, and at least a second, separately deliverable cutting group, which is effective in a circumferentially offset to the first circumferential angular range lying second circumferential angular range of the honing tool ,
  • the cutting bars, which are controlled by these two widening (or delivery systems) are thus at different angular positions.
  • the feed force is controlled separately for both expansions depending on the angular position and the stroke position.
  • the material-removing processing steps for generating the possibly complex, non-round and possibly asymmetrical bore shapes are produced with the aid of a honing tool (or with the aid of a plurality of honing tools used in succession), the cutting group of these honing tools being designed for a substantial removal of material, the macro-form to produce the bore in the desired manner.
  • the microstructure of the machined inner bore surface may not meet the operational requirements for surface roughness and / or surface texture. Therefore, in preferred methods after the shaping processing steps, at least one substantially shape-neutral machining operation, ie, the macro-shape of the bore, does not essentially change the machining operation.
  • Honing tools can be adapted accordingly to the surface requirement Grain of the cutting material body and / or brushing or Plateauhonwerkmaschinee and / or other surface structure changing processing tools are used, such as non-contact tools, such as laser and / or water jet generator, which can change the surface structure of the bore inner surface without affecting the macro-shape.
  • a "plateau honing" can be performed in order to cut the peaks of the roughness profile still present after the shaping honing process and thereby increase the carrying portion of the surface.
  • the inner surface of the bore can be machined, for example with a plurality of relatively movable, elastically mounted cutting bodies, which have a maximum extension of less than 10% of the length of the cutting area of the honing tool in the axial direction of the honing tool.
  • Such a highly segmented plateau honing tool is able to process the corrugated surface of a well-machined hole with a cylindricity error of substantially more than 10 ⁇ m substantially evenly.
  • honing stone segments may have cutting material bodies formed by honing stone segments, which are applied to an inherently elastic basic body, for example a plate made of a rubber-like material.
  • This inherently elastic body is applied to the actual base material of the honing stone, for example a support made of steel, copper or the like by gluing or otherwise.
  • the honing stone segments may have an extension of 10mm x 10mm.
  • the pre-machined inner surface can have a very uniform roughness distribution even with strongly asymmetrically deformed, non-circular-cylindrical bore shapes, a uniform surface structure is ensured even after the last processing step.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Honen der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Honen einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Zylinderblöcken für Brennkraftmaschinen, wird ein Honwerkzeug innerhalb der Bohrung bewegt wird und eine an dem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper wird zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt. Es werden eine Schwingungsbewegung der Schneidgruppe im Wesentlichen parallel zur Innenfläche nach Maßgabe mindestens eines Schwingungsparameters und eine der Schwingungsbewegung überlagerten Verschiebungsbewegung der Schneidgruppe entlang der Innenfläche nach Maßgabe mindestens eines Verschiebungsparameters erzeugt. Durch Steuerung der Schwingungsbewegung und/oder der Verschiebungsbewegung kann auch bei konstant gehaltener Zustellkraft ein über die Innenfläche lokal variierender Materialabtrag an der Innenfläche erreicht werden, um eine vorgegebene Sollform der Bohrung zu erzeugen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Honen der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Honen einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen, sowie eine Honmaschine, die besonders zur Durchführung des Verfahrens geeignet und ausgestaltet ist.
  • Bei der Herstellung von Zylinderblöcken von Brennkraftmaschinen werden die Zylinderlaufflächen üblicherweise durch ein Honverfahren endbearbeitet. Beim Einsatz des Endbearbeitungsverfahrens Honen werden oft erhebliche Anstrengungen unternommen, um die geforderte Bauteilform mit einem möglichst geringen Formfehler zu erzielen.
  • Auch wenn unmittelbar im Anschluss an die Bearbeitung keine Formfehler vorhanden sind, geht oftmals nach der Montage oder im Betrieb des bearbeiteten Werkstücks die einsatzoptimale Bauteilgeometrie durch elastische und thermische Deformationen verloren. Beispielsweise ist es bekannt, dass die Montage des Zylinderkopfes auf einem Zylinderblock (Motorblock) zu einer nicht zu vernachlässigenden Deformation der Zylinderbohrungen vor allem im Bereich der Zylinderkopfschrauben führen kann. Während des Motorenbetriebes sollten jedoch die Kolbenringe, die durch die mechanische Deformation, aber auch durch thermische Deformationen verzogene Zylinderbohrung so ausfüllen, dass eine saubere Abdichtung des Brennraumes im Motorenbetrieb gewährleistet ist. Eine vollständige Anlage der Kolbenringe an der Zylinderbohrung mit einem möglichst gleichmäßigen und geringen Spiel zwischen Kolbenring und Zylinderinnenwand wird erleichtert, wenn der montierte und betriebswarme Motor Zylinderbohrungen mit geringem Zylinderformfehler besitzt. Bei zu großen Werten des Zylinderformfehlers ist die saubere Abdichtung durch die Kolbenringe nicht mehr gewährleistet, der Partikelausstoß des Motors steigt, der Wirkungsgrad vermindert sich, und die Lebensdauer des Systems kann sich verkürzen.
  • Zur Vermeidung derartiger Probleme ist in der DE 28 10 322 C2 vorgeschlagen worden, die Verschlechterung der Zylinderform der Zylinderbohrungen bei der Montage des Zylinderkopfes dadurch zu vermeiden, dass der Motorblock für die Honbearbeitung mit Hilfe einer Spaneinrichtung deformiert wird, die die spätere Deformation durch den Zylinderkopf simuliert. In dem verspannten Zustand, der dem später bei der Montage vorliegendem Zustand entspricht, findet die Honbearbeitung statt, danach wird die Verspannung wieder gelöst. Ein ähnlicher Vorschlag ist in der JP 11-267960 beschrieben.
  • Um zusätzlich die Verformung durch Temperatureinwirkung zu simulieren, ist es außerdem bekannt, das Werkstück mittels heißem Honöl aufzuheizen. Diese Verfahren sind jedoch aufwändig und teuer und mit hohen Sicherheitsrisiken für die Maschinenbediener verbunden. Sie werden daher nur für die Einzelfertigung, nicht jedoch in der Serienfertigung eingesetzt.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 1 321 229 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Bohrung, die in unbelastetem Zustand eine Ausgangsform aufweist und im Betriebszustand eine von der Ausgangsform abweichende Sollform. Das Verfahren umfasst die Ermittlung der Verformung einer Bohrung mit Sollform im Betriebszustand. Mittels der Sollform und der ermittelten Verformung wird die Ausgangsform ermittelt und die Bohrung wird durch ein Bearbeitungsverfahren in die Ausgangsform gebracht. Die nach dem Verfahren hergestellte Ausgangsform soll im Betriebszustand die gewünschte Sollform annehmen. Das Bearbeitungsverfahren zur Herstellung der Ausgangsform ist ein Honverfahren, bei dem der Zustelldruck mindestens eines an einem Honwerkzeug angebrachten Honsteins während der Bearbeitungszeit variiert wird.
  • In der Dissertationsschrift "Variables Formhonen durch rechnergestützte Honprozesssteuerung" von R. Zurrin, veröffentlicht in: wbk - Forschungsberichte aus dem Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik der Universität Karlsruhe, Band 26 (1990) wird vorgeschlagen, die beschriebenen Probleme durch das Fertigungsverfahren "Formhonen" zu beheben. Darunter wird in dieser Schrift ein Honen mit gesteuerter Vorschubbewegung verstanden, das es erlaubt, örtlich (hub- und winkellagenabhängig) verschiedene Abtragsraten während des Honprozesses zu erreichen, um eine Negativform der Verformungen mit einer definierten Oberfläche zu erzeugen (vergleiche insbesondere Seiten 10 bis 20) Das Formhonen wird am Beispiel von verformten Zylinderblöcken erläutert, bei denen die Zylinderbohrungen eine vierfachsymmetrische Unrundheit vierter Ordnung, d.h. eine Bohrungsform mit 4-zähliger Radialsymmetrie bezogen auf die Bohrungsachse, haben. Diese unrunde Bohrungsform wird durch Steuerung der Zustellkraft beziehungsweise des Anpressdruckes eines einfach aufweitenden Honwerkzeuges über den Hub und den Drehwinkel erreicht.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Honen der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück bereitzustellen, das es ermöglicht, Bohrungen zu erzeugen, die auch bei starken Abweichungen von einer kreiszylindrischen Form eine gleichmäßige Oberflächenstruktur haben. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Honmaschine bereitzustellen.
  • Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, sowie eine Honmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 14 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Honen der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Honen einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Zylinderblöcken für Brennkraftmaschinen, wird ein Honwerkzeug innerhalb der Bohrung bewegt und mindestens eine an dem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche wird mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt. Erfindungsgemäß wird eine Schwingungsbewegung der Schneidgruppe im wesentlichen parallel zur Innenfläche nach Maßgabe mindestens eines Schwingungsparameters sowie eine der Schwingungsbewegung überlagerte Verschiebungsbewegung der Schneidgruppe entlang der Innenfläche nach Maßgabe mindestens eines Verschiebungsparameters erzeugt und es erfolgt eine Steuerung der Schwingungsbewegung und/oder der Verschiebungsbewegung zur Erzeugung eines über die Innenfläche lokal variierenden Materialabtrags an der Innenfläche zur Erzeugung einer vorgegebenen Sollform der Bohrung.
  • Die Schwingungsbewegung bzw. Oszillationsbewegung der Schneidgruppe kann bezüglich der Schwingungsamplitude, der Schwingungsfrequenz und/oder der Schwingungsrichtung den Erfordernissen angepaßt werden. Die Verschiebungsbewegung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich gesteuert werden, wobei als Verschiebungsparameter insbesondere die Verschiebungsrichtung und/oder die Verschiebungsgeschwindigkeit gesteuert werden. Die Verschiebungsbewegung wird normalerweise so gesteuert, dass jeder Bereich der Innenfläche durch mindestens einen Schneidstoffkörper einer Schneidgruppe erreicht und materialabtragend bearbeitet wird, so dass flächendeckend ein Materialabtrag erzielt werden kann. Es ist auch möglich, nur Teilbereiche der Innenfläche mit Hilfe des Verfahrens zu bearbeiten.
  • Da mit Hilfe des Verfahrens gezielt ein ortsabhängig variierender Materialabtrag an der Innenfläche erreicht werden kann, ist das Verfahren besonders dafür geeignet, nicht-kreiszylindrische Sollformen zu erzeugen, deren Formabweichungen von einer ideal kreiszylindrischen Form deutlich außerhalb der üblichen, bei den hier betrachteten Honverfahren geltenden Toleranzen des Zylindrizitätsfehlers liegen, der in vielen Fällen bei weniger als 10 µm liegen sollte. Bei bevorzugten Varianten entsprechen die Formabweichungen einem Zylindrizitätsfehler von deutlich mehr als 10 µm, wobei der Zylindrizitätsfehler vorzugsweise bei mehr als 20 µm, insbesondere zwischen 20 µm und ca. 60 µm liegt.
  • Der Zylindrizitätsfehler wird hier durch die Zylinderformtoleranz beschrieben. Die zugehörige Toleranzzone wird durch zwei zur Bohrungsachse und zueinander koaxiale, die Bohrungsinnenwand innen oder au-ßen berührende Zylinder bestimmt, wobei der Radialabstand zwischen den beiden Zylindern ein Maß für die Zylindergüte darstellt. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird der Zylindrizitätsfehler ΔZ definiert als ΔZ=(DA-DI)/2, wobei DA der Durchmesser des die Bohrungsinnenwand außen berührenden Zylinders und DI der Durchmesser des die Bohrungswand innen berührenden Zylinders ist.
  • Es ist jedoch auch möglich, mit Hilfe des Verfahrens Zylindrizitätsfehler von Bohrungen auszugleichen, um auf diese Weise beispielsweise eine der idealen Zylinderform angenäherte Zylinderform mit einem Zylindrizitätsfehler von 10 µm oder weniger zu erzielen.
  • Das Verfahren ermöglicht es, den Materialabtrag im wesentlichen über den Schwingungsparameter und den Verschiebungsparameter zu steuern, so dass auf eine Variation der Zustellkraft bzw. des Anpressdruckes der Schneidgruppe verzichtet werden kann. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Schneidgruppe mit einer im wesentlichen konstanten Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt. In diesem Fall werden Schneidstoffkörper somit mit im wesentlichen konstanter Flächenpressung angepresst, so dass die Eindringtiefe der Schneidkörner und damit die beim Materialabtrag erzeugte Oberflächenrauheit weitgehend konstant sind. Bei derart bearbeiteten Oberflächen ist somit die durch Rauheitsparameter beschreibbare Oberflächentopographie weitgehend unabhängig von der Makroform der Bohrung. Daher kann auch bei signifikanten Formabweichungen von einer kreiszylindrischen Form ein gleichmäßiges Rauheitsprofil an der Bohrung erzeugt werden.
  • Bei anderen Verfahrensvarianten ist vorgesehen, zusätzlich zur Schwingungsbewegung und zur Verschiebungsbewegung auch den Zustelldruck variabel zu verändern, um die gewünschte Ortsverteilung des Materialabtrages zu erzielen und/oder um gegebenenfalls lokal unterschiedliche Oberflächenrauheiten zu erzeugen.
  • Bei einer Ausführungsform wird die Schwingungsbewegung im wesentlichen konstant gehalten und die Steuerung der Verschiebungsbewegungen wird in Abhängigkeit von der Sollform durchgeführt. Auf diese Weise kann für jeden lokalen Bereich der Innenfläche eine Gesamt-Überlaufzeit (Gesamt-Bearbeitungszeit) eingestellt werden, die im Wesentlichen proportional zu dem für den Bereich vorgesehenen lokalen Materialabtrag ist. So lässt sich durch die Veränderung der Vorschubgeschwindigkeit lokal in der Bohrung eine unterschiedliche Werkstoffabtrennung erreichen. In Bereichen mit geforderter starker Werkstoffabtrennung kann die Verschiebungsgeschwindigkeit reduziert werden, wobei auch eine zeitweise Unterbrechung der Verschiebebewegung (Geschwindigkeit = 0 in Verschiebungsrichtung) möglich ist. Bereiche mit gefordertem geringen Materialabtrag können entsprechend mit hoher Verschiebegeschwindigkeit überfahren werden.
  • Um die geforderte Sollform in einem einzigen Arbeitshub des Honwerkzeuges zu erzielen, wird bei bevorzugten Varianten die Verschiebungsbewegung derart gesteuert, dass, bezogen auf die Verschiebungsbewegung, jeder Bereich der Innenfläche nur maximal einmal von einer Schneidgruppe des Honwerkzeuges bearbeitet wird. Die Verschiebungsbewegung kann zum Beispiel durch ein Durchlaufen des Werkzeuges durch eine Bohrung von oben nach unten in Verbindung mit einer Rotation des Werkzeuges erfolgen. Auf diese Weise ist ein besonders schneller Bearbeitungsprozess möglich. Zur Erzeugung größerer Unterschiede im Abtrag an verschiedenen Stellen der Bohrung ist auch ein mehrfaches Durchlaufen möglich.
  • Die Schwingungsbewegung der Schneidgruppe kann dadurch erzeugt werden, dass die Schneidgruppe relativ zum Werkzeugkörper des Honwerkzeuges oszillierend angetrieben wird. Hierzu kann ein in das Honwerkzeug integrierter Schwingantrieb vorgesehen sein. Bevorzugte Varianten des Verfahrens können mit herkömmlichen Honwerkzeugen durchgeführt werden, indem das Honwerkzeug mit Hilfe der für die Werkzeugbewegung erforderlichen Antriebe in die Schwingungsbewegung und Verschiebungsbewegung versetzt wird. Bei einer Ausführungsform wird das Honwerkzeug zur Erzeugung der Schwingungsbewegung in eine in Umfangsrichtung oszillierende Bewegung versetzt, vorzugsweise ohne gleichzeitige axiale Oszillationsbewegung. Die Winkelamplituden der in Umfangsrichtung oszillierenden Schwingungsbewegung liegen typischerweise deutlich unterhalb 180°, insbesondere bei weniger als 90° und/oder weniger als 45°. Sie können beispielsweise bei weniger als 30° oder weniger als 20° liegen. Als untere Grenze für die Winkelamplitude haben sich in vielen Fällen Werte von 1 ° bis 10° als praktikabel herausgestellt.
  • Die Schwingungsbewegung kann auch eine in Axialrichtung gerichtete Komponente haben, die allein oder in Verbindung mit einer in Umfangsrichtung gerichteten Komponente vorgesehen sein kann. Sofern eine in Axialrichtung oszillierende Bewegung vorgesehen ist, liegt deren Amplitude typischerweise im Bereich zwischen ca. 1 % und ca. 10% der axialen Werkzeuglänge, d.h. der axialen Länge, in der Schneidstoffkörper in materialabtragenden Eingriff mit der Innenfläche stehen.
  • Bei manchen Bearbeitungsaufgaben ist es erwünscht, nicht-kreiszylindrische Bohrungsformen mit komplexen Abweichungen von einer exakten Kreiszylindrizität durch Honen zu erzeugen. Dies kann durch beim eingangs erwähnten "Formhonen" von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Motorblöcken für Brennkraftmaschinen vorgesehen sein, um im unverspannten Werkstück (Zylinderblock) eine Negativform des Zylindrizitätfehlers zu erzeugen, der durch die während der Montage und während des Betriebs erzeugten Deformationen entsteht, um im Betrieb eine einsatzoptimale zylindrische Bohrungsgeometrie zu erhalten. Um eine besonders große Flexibilität hinsichtlich der erzielbaren Sollform zu erzielen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform eine im wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges zur Erzeugung einer Axialbewegung des Honwerkzeuges im wesentlichen parallel zur Bohrungsachse der Bohrung und eine, gegebenenfalls zeitlich asymmetrische, Steuerung der Schwingungsbewegung und/oder der Verschiebungsbewegung einer einseitig der Werkzeugachse an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Hublage und/oder der Winkelposition des Honwerkzeuges vorgesehen.
  • Durch diese Verfahrensführung kann erreicht werden, dass diese Schneidgruppe in ihrem Eingriffswinkelbereich einen Materialabtrag bewirkt, ohne dass dies zwangsläufig zu einem vergleichbaren Materialabtrag an der diametral gegenüberliegenden Seite der Bohrungsinnenfläche führt. Die dem Anpressdruck der Schneidgruppe entgegenwirkende Gegenkraft wird nicht durch Material abtragende Schneidstoffkörper an der diametral gegenüberliegenden Seite aufgebracht, sondern durch die im wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges, die ein Ausweichen des Honwerkzeuges quer zur Werkzeugachse bei einseitigem Anpressen der Schneidstoffkörper an die Bohrungsinnenfläche verhindert.
  • Auf diese Weise kann das Verfahren insbesondere so durchgeführt werden, dass die Bohrung zumindest in einem axialen Bohrungsabschnitt eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform erhält, die von einer bezogen auf die Bohrungsachse zwei-zählig radial symmetrischen Form signifikant abweicht.
  • Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Honwerkzeug zur im Wesentlichen starren Führung der Axialbewegung innerhalb der Bohrung axial gleitbeweglich und quer zur Werkzeugachse im Wesentlichen unbeweglich abgestützt. Dadurch ist es möglich, auf außerhalb des Werkstückes anzuordnende Führungseinrichtungen zu verzichten.
  • Bei einer Weiterbildung wird hierzu ein Honwerkzeug verwendet, welches einen Satz von um den Umfang des Honwerkzeuges verteilten Führungsleisten zur axialen Führung des Honwerkzeuges in der Bohrung umfasst, die vorzugsweise unabhängig von der Schneidgruppe in Richtung auf die Innenfläche der Bohrung zustellbar sind, wobei die im Wesentlichen starre Führung der Axialbewegung dadurch erreicht wird, dass die Führungsleisten während der Bewegung des Honwerkzeuges in der Bohrung an die Innenfläche der Bohrung angedrückt werden.
  • Bei dieser Verfahrensvariante zentrieren die Führungsleisten das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung. Die Führungsleisten sind vorzugsweise so ausgelegt, dass sie kaum einen oder nur einen geringen Werkstoffabtrag erzeugen, was hier als "im Wesentlichen nicht-schneidende Führungsleisten" bezeichnet wird. Die Führungsleisten können zumindest in den im Kontakt mit der Innenfläche der Bohrung tretenden Bereichen aus einem Kunststoff, aus Gummi, einem Elastomer geeigneter Härte (z.B. Vulkollan®), einem Metall, einem Hartmetall oder aus einer Keramik bestehen oder es kann sich um Honleisten mit einem hohen Schneidstoffanteil handeln.
  • Es ist auch möglich, dass die im Wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges dadurch erreicht wird, dass das Honwerkzeug außerhalb der Bohrung des Werkstückes axial beweglich und quer zur Werkzeugachse im Wesentlichen unbeweglich geführt wird. Je nach Typ der Bohrung kann hierzu eine einseitige Führung ausschließlich an der Eintrittsseite der Bohrung, eine einseitige Führung ausschließlich an der der Eintrittseite gegenübliegenden Austrittsseite der Bohrung (bei Durchgangsbohrungen), oder eine beidseitige Führung sowohl an der Eintrittseite, als auch an der gegenübliegenden Austrittsseite vorgesehen sein. Eine gegen Querbelastung starre Kopplung des Honwerkzeuges an eine gegen Querbelastung starr geführte Honspindel kann ggf. ebenfalls ausreichen, die starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges zu gewährleisten. Dann kann ggf. auf Führungselemente im Bereich des Honwerkzeuges völlig verzichtet werden. Die ausschließlich externe Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges erfordert höchste Genauigkeit bei der relativen Positionierung zwischen Werkstück und Honwerkzeug.
  • Um eine möglichst flexible Steuerung der Form des Bohrungsquerschnittes im bearbeitenden Bereich zu erhalten, ist bei einer Variante vorgesehen, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, das eine einzige separat zustellbare Schneidgruppe hat, die vorzugsweise einen Eingriffswinkel von weniger als 90° besitzt. Der Begriff "Eingriffswinkel" beschreibt hier den Winkelbereich entlang des Umfanges des Honwerkzeuges, in dem Schneidstoffkörper der Schneidgruppe in Eingriff mit der Bohrungswandung stehen. Häufig ist es günstig, wenn der Eingriffswinkel zwischen ca. 1° und ca. 70° liegt, er kann beispielsweise zwischen 5° und 60° liegen und/oder zwischen 20° und 45°. Je kleiner der Eingriffswinkel ist, desto exakter ist eine komplexe Form der Kontur der Innenfläche durch Steuerung der Zustellkraft in Abhängigkeit von der Winkelposition des Honwerkzeuges zu erreichen. Es können auch Honwerkzeuge mit mehreren unabhängig voneinander zustellbaren Schneidgruppen verwendet werden.
  • Die Schneidstoffkörper können auch symmetrisch oder fast symmetrisch über den Umfang des Honwerkzeuges verteilt angeordnet sein. In diesem Falle können Sollformen mit zweizähliger oder mehrzähliger Radialsymmetrie erzeugt werden, da eine Schwingungsbewegung und Verschiebungsbewegung des Honwerkzeuges sich gleichermaßen auf alle Schneidstoffkörper auswirken kann. Auf die im wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges kann in diesen Fällen verzichtet werden.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Honmaschine, die eine Bewegungs-Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bewegung mindestens einer an einem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Hublage und/oder der Winkelposition des Honwerkzeuges in einer Bohrung hat, wobei die Bewegungs-Steuerungseinrichtung zur Erzeugung einer Schwingungsbewegung der Schneidgruppe im wesentlichen parallel zu einer Innenfläche der Bohrung nach Maßgabe mindestens eines Schwingungsparameters und zur Erzeugung einer der Schwingungsbewegung überlagerten Verschiebungsbewegung der Schneidgruppe entlang der Innenfläche der Bohrung nach Maßgabe mindestens eines Verschiebungsparameters konfiguriert ist.
  • Beispielsweise kann die Bewegungs-Steuerungseinrichtung einer konventionellen Honmaschine so modifiziert sein, dass der bekannten langhubigen Hubbewegung und der Umfangsbewegung des Honwerkzeuges eine Oszillation in Hub- und/oder Umfangsrichtung mit deutlich kürzerem Hub überlagert werden kann. Bei einer Ausführungsform sind zur Einstellung einer lokal unterschiedlichen Werkstoffabtrennung sowohl die Hub- und/oder Umfangsgeschwindigkeit der langhubigen Bewegungen, als auch die Hub- und/oder Umfangsgeschwindigkeit der im Vergleich dazu kurzhubigeren Schwingungsbewegung jeweils in Abhängigkeit von der Hub- und Winkellage des Honwerkzeuges separat einstellbar. Unterstützend kann auch eine Einstellmöglichkeit vorgesehen sein, um die Anpresskraft der Schneidstoffkörper in Abhängigkeit von der Hub- und Winkellage zu verändern.
  • Erfolgt die Erzeugung der Makroform der Bohrung im Wesentlichen ohne eine Variation der Anpresskraft der Schneidgruppe, so ist die erzeugte Bohrungsinnenfläche durch eine sehr geringe Schwankung der Rauheit gekennzeichnet. Dies vermindert den bei den nachfolgenden, oberflächenbildenden Bearbeitungsoperationen erforderlichen Materialabtrag, so dass diese Prozesse in kürzeren Bearbeitungszeiten durchgeführt werden können. Es ist z.B. möglich, ein Werkstück mit mindestens einer Bohrung zu erzeugen, die eine gehonte Innenfläche aufweist, wobei die Bohrung in mindestens einem axialen Bohrungsabschnitt eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform hat, so dass die Bohrung einen Zylindrizitätsfehler von mehr als 20 µm aufweist, wobei eine Schwankungsbreite für den arithmetischen Mittenrauwert Ra über den Umfang der Bohrung weniger als 30 % beträgt. Nach der hier beschriebenen formgebenden Bearbeitung sind in der Regel die Bearbeitungsspuren der durch die Schwingungsbewegung der Schneidgruppe erzeugten kurzhubigen Bearbeitung an der Innenfläche erkennbar. In der Regel ist es jedoch so, dass diese Bearbeitungsspuren in nachfolgenden, im Wesentlichen nur die Oberflächentopographie verändernden Bearbeitungsoperationen wieder entfernt werden.
  • Die vorstehenden und weiteren Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungsformen darstellen. Bevorzugte Ausführungsformen werden an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
    • Fig. 1 zeigt eine schematische Gesamtansicht einer Honmaschine, die zur Durchführung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honverfahrens konfiguriert ist;
    • Fig. 2 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines 4-Zylinder-Motorblockes bei der Bearbeitung mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honverfahrens;
    • Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung von Geschwindigkeitskomponenten der Schwingungsbewegung und der Verschiebungsbewegung einer Schneidgruppe bei der Bearbeitung einer Bohrungsinnenfläche; und
    • Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Einflusses der Verschiebungsgeschwindigkeit v3 auf die Abtragsrate A einer konstant schwingend angetriebenen Schneidgruppe, jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t;
    • Fig. 5 zeigt schematische Messdiagramme einer Zylinderbohrung mit großem Zylindrizitätsfehler und signifikanter Abweichung von einer 2-zähligen Radialsymmetrie;
    • Fig. 6 zeigt schematische Diagramme zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Geometrie einer Bohrung mit großem Zylindrizitätsfehler und der zur Erzeugung der unrunden Bohrungsform erforderlichen Variation der Verschibungsgeschwindigkeit über die Winkelposition einer einseitig an einem Honwerkzeug angebrachten, oszillierenden Schneidgruppe; und
    • Fig. 7 bis 9 zeigen schematisch unterschiedliche Honwerkzeuge, die bei Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren eingesetzt werden können.
  • 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 eingesetzt werden kann, um eine oder mehrere Honoperationen an dem Werkstück auszuführen. 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 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 Honprozesse erzeugt wird.
  • Bei der zweispindligen Honmaschine 100 sind auf einer portalartigen Trägerkonstruktion 108 zwei im wesentlichen identisch aufgebaute Honeinheiten 110, 112 befestigt, die abwechselnd oder gleichzeitig bei der Werkstückbearbeitung eingesetzt werden können. Ihr Aufbau wird anhand der Honeinheit 110 näher erläutert. Die Honeinheit umfasst einen auf der Trägerkonstruktion befestigten Spindel kasten 114, der die Honspindel 120 führt. Die Honspindel lässt sich mit Hilfe eines am Spindelkasten befestigten Spindelmotors 118 um ihre Längsachse drehen. Das untere Ende der Honspindel wird durch eine Gelenkstange gebildet, an deren unteres, freies Ende das als Bearbeitungswerkzeug dienende Honwerkzeug 150 begrenzt beweglich mechanisch angekoppelt ist. Ein auf dem Spindelkasten 114 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 vertikale Hin- und Herbewegung ausführt. Der Spindelmotor 118 und der Hubantrieb 124 werden über eine Bewegungs-Steuerungseinrichtung 180 angesteuert, die ein Teilsystem der Gesamt-Steuerung der Honmaschine bildet.
  • Bei dieser Ausführungsform steuert die Bewegungs-Steuerungseinrichtung 180 alle Honachsen der Honmaschine. Dieses Steuersystem wird genutzt, um die im Vergleich zu herkömmlichen Honsystemen hinzugekommene Schwingungsbewegung der Schneidgruppe zu erzeugen und der Verschiebungsbewegung zu überlagern. Hierzu kann ein geeignetes Arbeitsprogramm der computernumerischen Steuerung vorgesehen sein. Zur Einstellung einer lokal unterschiedlichen Werkstoffabtrennung sind in der Steuerung folgende Parameter in Abhängigkeit von Hub- und Winkellage des Honwerkzeuges einstellbar: (1) Hub- und/oder Umfangsgeschwindigkeit der langhubigen Verschiebungsbewegungen; (2) Hub- und/oder Umfangsgeschwindigkeit der kurzhubigeren Schwingungsbewegungen. Es existiert auch eine Einstellmöglichkeit, mit der die Anpresskraft der Schneidgruppe in Abhängigkeit von Hub- und Winkellage veränderbar ist.
  • Die Honmaschine ist mit einem Zustellsystem 140 ausgestattet, das zwei unabhängig voneinander betätigbare Zustelleinrichtungen umfasst, die unterschiedlichen Sätzen von Elementen am Honwerkzeug zugeordnet sind.
  • Fig. 2 zeigt in schematischer, schrägperspektivischer Ansicht einen Zylinderblock (Motorblock) 200 für eine 4-Zylinder-Brennkraftmaschine. In dem aus einem Gusswerkstoff oder aus einem Leichtmetall-Werkstoff bestehenden Zylinderblock sind vier achsparallele Zylinderbohrungen 201, 202, 203, 204 in gleichen Abständen in Reihe so nebeneinander angeordnet, dass ihre zentralen Bohrungsachsen in einer gemeinsamen Ebene (Zylinderebene 212) liegen. Von der Oberseite des Zylinderblockes her sind mit Innengewinde versehene Bohrungen 215 achsparallel zu den Zylinderbohrungen so eingebracht, dass jeweils vier dieser Bohrungen gleichmäßig um den Umfang einer Zylinderbohrung verteilt sind. Die Bohrungen 215 dienen zur Aufnahme von Zylinderkopfschrauben, mit deren Hilfe nach Fertigstellung der Bearbeitung des Zylinderblockes der zugehörige Zylinderkopf auf den Zylinderblock 200 unter Zwischenlage einer Zylinderkopfdichtung aufgeschraubt wird.
  • Es ist erkennbar, dass es sich bei dem Zylinderblock 200 um ein strukturell uneinheitliches Werkstück handelt, bei dem insbesondere jede der Zylinderbohrungen 201-204 eine unterschiedliche Werkstückumgebung hat, insbesondere hinsichtlich der Wandstärke im Bereich der Zylinderbohrungen und auch durch unterschiedliche Anbindungen an die Kühlmittelkanäle des motorblockinternen Kühlsystems. Beispielsweise haben die innen liegenden Zylinderbohrungen 202 und 203 des zweiten und dritten Zylinders jeweils zwei in der Zylinderebene liegenden Nachbar-Zylinderbohrungen, während die außenliegenden Zylinderbohrungen (Zylinder 1 und 4) nur eine jeweils innenliegende Nachbar-Zylinderbohrung haben und an der gegenüberliegenden Seite an dickere Wandabschnitte des Werkstückes grenzen.
  • Am unteren Ende der Honspindel 220 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeuges 250 angekoppelt, bei dem es sich um ein kardanisch gelagertes Honwerkzeug mit Doppelaufweitung handelt. Das Honwerkzeug hat einen Werkzeugkörper 255, der an einer Seite seines Umfanges eine durch eine einzige Honleiste gebildete Schneidgruppe 260 trägt, die mit Hilfe eines nicht näher dargestellten Schneidgruppen-Zustellsystems in radialer Richtung zur Bohrungsinnenwand zugestellt bzw. zurückgezogen werden kann. Die Schneidgruppe 260 ist einseitig an dem Honwerkzeug angebracht. Dies bedeutet insbesondere, dass alle bei der Honbearbeitung in materialabtragendem Eingriff mit der Bohrungsinnenwand stehenden Schneidstoffkörper auf der gleichen Seite einer werkzeug halbierenden Werkzeugebene liegen, die die Werkzeugachse enthält und senkrecht auf der Winkelhalbierenden der Schneidgruppe steht. Weiterhin ist am Werkzeugkörper ein Satz von um den Umfang des Honwerkzeuges ungleichmäßig verteilten Führungsleisten 270 vorgesehen, die mit Hilfe eines Führungsleisten-Zustellsystems unabhängig von der Schneidgruppe 260 in Richtung auf die Innenfläche der Bohrung zugestellt werden können. Bei Anliegen der im Wesentlichen nicht-schneidenden Führungsleisten an der Innenfläche der Bohrung ergibt sich eine im Wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges innerhalb der Bohrung parallel zur Bohrungsachse 213, so dass die Führungsleisten eine Axialführungseinrichtung für das Honwerkzeuges bilden.
  • Die Zustellbewegung sowohl der Führungsleisten als auch der Schneidgruppe sowie die jeweils aufgebrachte Zustellkraft werden mit Hilfe einer Zustellkraft-Steuerungseinrichtung 290 der Honmaschine unabhängig voneinander gesteuert. Die Bewegungen des Honwerkzeuges innerhalb der Bohrung werden durch die Bewegungs-Steueriungseinrichtung 280 gesteuert.
  • Anhand der Fig. 3 und 4 wird nun erläutert, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform des Bearbeitungsverfahrens durch geeignete Steuerung der Schwingungsbewegung und der Verschiebungsbewegung einer Schneidgruppe des Honwerkzeuges an unterschiedlichen Stellen der Innenfläche einer Bohrung lokal unterschiedlich starke Materialabträge erzielbar sind, um eine nicht-kreiszylindrische Bohrungsform zu erzeugen. Fig. 3 zeigt hierzu schematisch einen axialen Schnitt durch eine Zylinderbohrung 303 eines Motorblockes 300. In die Zylinderbohrung ist ein Honwerkzeug eingeführt, von dem nur eine Honleiste 360 gezeigt ist, die die einzige Schneidgruppe des Honwerkzeuges bildet und die in spanabhebenden Eingriff mit der Innenfläche 330 der Bohrung steht.
  • In der Bewegungs-Steuerungseinrichtung der Honmaschine ist ein Arbeitsprogramm aktiv, das eine Schwingungsbewegung und eine der Schwingungsbewegung überlagerte Verschiebungsbewegung des Honwerkzeuges und der daran angebrachten Schneidgruppe steuert. Die Schwingungsbewegung setzt sich aus einer in Umfangsrichtung gerichteten Komponente (Richtung des Vektors V2) und einer in Axialrichtung gerichteten Komponente (Richtung des Vektors V1) zusammen, wobei an der Bewegungs-Steuerungseinrichtung sowohl die Schwingungsamplitude, als auch die Schwingungsfrequenz als Schwingungsparameter einstellbar sind. In der beispielhaften Variante ist die Schwingungsamplitude in Axialrichtung (Vektor V1) auf den Wert 0 gesetzt, so dass ausschließlich eine Schwingungsbewegung in Umfangsrichtung (Vektor V2) vorliegt, bei der die Schneidgruppe 360 in Umfangsrichtung oszillierend mit einer Winkelamplitude von ca. 4° und einer Frequenz von ca. 2 Hz hin- und herbewegt wird. Diese oszillierende Bearbeitungsbewegung erzeugt in Verbindung mit dem durch die Zustellkraft-Steuerungseinrichtung konstant vorgegebenen Anpressdruck am Ort der Schneidgruppe einen Materialabtrag, dessen Betrag im wesentlichen proportional zu der am jeweiligen Ort vorliegenden Bearbeitungszeit (bzw. i.W. umgekehrt proportional zur lokalen Verschiebungsgeschwindigkeit) ist.
  • Der Schwingungsbewegung ist eine Verschiebungsbewegung der Schneidgruppe in Richtung des Verschiebungsvektors V3 überlagert, wobei sowohl die Richtung, als auch die Geschwindigkeit dieser Verschiebungsbewegung (Geschwindigkeit v3) an der Bewegungs-Steuerungseinrichtung als Verschiebungsparameter vorgebbar sind. Die Richtung der Verschiebungsbewegung ist veränderlich und sichert ab, dass die Schneidgruppe alle Bereiche der Bohrungsinnenfläche erreicht. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Verschiebungsbewegung so parametrisiert, dass die Honleiste 360 eine an das klassische Honen angelegte Drehbewegung (in Umfangsrichtung) in Verbindung mit einer alternierenden Hubbewegung in Axialrichtung erzeugt (siehe gestrichelter Pfeil). Entlang des Verschiebungsweges, d.h. bei Überstreichen der Innenfläche der Bohrung, wird die Geschwindigkeit v3 der Verschiebungsbewegung variiert. Die Steuerung der Verschiebungsgeschwindigkeit v3 erfolgt in Abhängigkeit von der geforderten Sollform der Bohrung. Durch die Veränderung der Verschiebungsgeschwindigkeit ergeben sich lokal unterschiedliche Bearbeitungsdauern, so dass lokal in der Bohrung unterschiedlich starke Werkstoffabtrennungen erreicht werden. Dies ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Bei konstanter Schwingungsbewegung (d.h. konstanter Schwingungsamplitude, -frequenz und -richtung) ergibt sich eine annähernde Proportionalität zwischen Materialabtrag A und Verschiebungsgeschwindigkeit v3, da in Bereichen höherer Verschiebungsgeschwindigkeit die lokale Bearbeitungsdauer und damit der lokal erzielte Materialabtrag geringer ist als in Bereichen niedrigerer Verschiebungsgeschwindigkeit. Dementsprechend wird die Steuerung so programmiert, dass in Bereichen mit geforderter starker Werkstoffabtrennung die Verschiebungsgeschwindigkeit v3 gering oder für ein festgelegtes Zeitintervall auch null ist, während für Bereiche mit geforderter geringerer Werkstoffabtrennung eine höhere Verschiebungsgeschwindigkeit vorgesehen ist.
  • Da bei dieser Verfahrensvariante nur die Zeit bzw. die Verschiebungsgeschwindigkeit als Steuerparameter verwendet wird, während die Anpresskraft der Schneidgruppe während der gesamten Bearbeitungsdauer konstant bleibt, ist die erzeugte Rauheit der bearbeiteten Innenfläche unabhängig von der erzeugten Form. Typische gemittelte Rauhtiefen Rz liegen über die gesamte bearbeitete Innenfläche im Bereich Rz = 4 µm bis 6 µm.
  • Die Komponenten der Schwingungsbewegung in Umfangsrichtung und in Axialrichtung können konstante oder veränderliche Ampliuden und/oder Frequenzen haben. Die Veränderung der Amplitude und/oder Frequenz können zur Unterstützung der Steuerung des Abtrags genutzt werden. Beispielsweise kann für lokale Bereiche mit gefordertem hohen Materialabtrag die Schwingungsfrequenz erhöht werden, um bei gleicher Verweildauer der Schneidgruppe an der Bohrungsinnenfläche eine erhöhte Abtragsleistung zu erzielen.
  • Es ist auch möglich, dass die Flächenpressung als Variable gesteuert wird, d.h., dass der Anpressdruck der Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Hubposition und/oder der Winkelposition des Honwerkzeuges bzw. der Schneidgruppe variiert wird. In jedem Fall ist die Steuerkurve der für den Materialabtrag verantwortlichen Parameter abhängig von der Sollform der Bohrung.
  • Ein typische, mit Hilfe des Verfahrens an einem unverspannten Werkstück erzeugbare Bohrungsgeometrie, die bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen eines Zylinderblockes erzeugt werden kann, wird anhand von Figur 5 erläutert.
  • Zur Charakterisierung der Makroform einer Zylinderlauffläche zeigt Fig. 5 (a) einen schematischen Umfangsschrieb und Fig. 5 (b) einen schematischen Längsschrieb der Dimensionen einer Zylinderlauffläche. Für den Umfangsschrieb werden radiale Abstände der Bohrungsinnenwand von der Bohrungsachse BA in Abhängigkeit von der Umfangsposition entlang der Bohrungsinnenfläche gezeigt, wobei der Nullpunkt der Umfangsrichtung sowie die 180°-Lage in der durch die Bohrungsachsen der Zylinder definierten Zylinderebene 212 (vgl. Fig. 2) liegen und die 90°- und 270°-Positionen die senkrecht dazu liegenden Bereiche in der Nähe der vorderen und hinteren Breitseite des Zylinderkopfes repräsentieren. Die Kurven RO, RM und RU repräsentieren jeweils den Radius in der Nähe der oberen Eintrittsöffnung der Zylinderbohrung (RO), im axialen Mittelbereich der Zylinderbohrung (RM) und in der Nähe des unteren Endes der Zylinderbohrung (RU). In der dem Fachmann bekannten Weise sind die umlaufenden Messkurven des Umfangsschriebes jeweils auf eine konzentrisch zur Bohrungsachse liegende Nulllinie bezogen, die bei der Darstellung in Fig. 6 (a) jeweils gestrichelt gezeichnet ist. Für alle Messkurven dient der gleiche radiale Maßstab in Radialrichtung. Die Längsschriebe in Fig. 5 (b) zeigen jeweils den Verlauf der Mantellinien (parallel zur Bohrungsachse) in den ausgewählten Umfangsbereichen bei 0°, 90°, 180° und 270°.
  • Die Messergebnisse repräsentieren die randständige vierte Zylinderbohrung 204 in Fig. 1. Es ist erkennbar, dass die Bohrung in der Nähe der zylinderkopfseitigen Eintrittsseite (repräsentiert durch die Kurve RO) eine annähernd 2-zählige Radialsymmetrie um die Bohrungsachse BA hat, bei der sich der größte Durchmesser schräg zur Zylinderebene im Bereich der Umfangswinkel 135° bzw. 315° ergibt, während sich senkrecht dazu (entsprechend Winkelpositionen 45° und 225°) ebenfalls lokale Maxima des Radius ausbilden, die jedoch bei kleineren absoluten Radiuswerten liegen. Der annähernd 2-zählig symmetrischen Grundform sind kleinere Radiusschwankungen überlagert, beispielsweise im Bereich um 180°.
  • Im axialen Mittelbereich der Bohrung (Kurve RM) ergibt sich ein weitaus komplexerer Zusammenhang zwischen Umfangsposition und Bohrungsradius bzw. Bohrungsdurchmesser. Im gezeigten Beispiel ergeben sich in Umfangsrichtung etwa acht lokale Maxima des Innenradius, die durch lokale Minima des Innenradius getrennt sind. Tendenziell liegen die größten Radien weiterhin schräg zur Zylinderebene.
  • In dem der Zylinderkopfseite abgewandten Endbereich der Zylinderbohrung, repräsentiert durch die Kurve RU, ist der Bohrungsquerschnitt ebenfalls unsymmetrisch, wobei jedoch die am zylinderkopfseitigen Ende noch angedeutete 2-zählige Radialsymmetrie nicht mehr dominiert und eine nahezu völlig irreguläre Bohrungsquerschnittsform vorherrscht.
  • In Axialrichtung der Bohrungsinnenwand ergeben sich ebenfalls erheblich Schwankungen des Bohrungsradius. Während entlang der Mantellinie bei 0° der Radius zum unteren Ende der Bohrung abnimmt, ist die Bohrungswand auf der gegenüberliegenden Seite (bei 180°) erheblich in Axialrichtung verzogen, so dass sich ein starkes Radiusminimum in der Nähe der Eingangsöffnung ergibt sowie im unteren Drittel, während im Mittelbereich der Radius maximal wird. Legt man dagegen einen Schnitt senkrecht zur Zylinderebene (bei 90° und 270°) so ergeben sich minimale Radien in der Nähe der oberen Eintrittsöffnung, während im unteren Drittel der Bohrungsradius ein lokales Maximum einnimmt.
  • Die auf diese Weise charakterisierbare, unsymmetrisch verzogene Bohrungsform entspricht im Beispielsfall einem Zylindrizitätsfehler ΔZ zwischen 30µm und 40µm. Diese komplex und unsymmetrisch verformte Bohrungsgeometrie wird sich bei Aufsetzen und Verschrauben eines Zylinderkopfes sowie Erwärmung des dadurch entstandenen Rumpfmotors in den Bereich der Betriebstemperaturen wieder zu einer weitgehend zylindrischen Bohrungsform verformen. Sie bildet somit annähernd eine Negativform der Deformationen im Betriebszustand.
  • Fig. 6 zeigt exemplarisch für zwei Axialpositionen des Zylinders (repräsentiert durch die Kurven RO und RM) in Fig. 6 (a) den hub- und drehwinkelabhängigen Radienverlauf der Bohrung und in Fig. 6 (b) den zugehörigen Verlauf des Kehrwertes 1/V der Verschiebungsgeschwindigkeit V einer in Umfangsrichtung kurzhubig oszillierenden Schneidgruppe über den Drehwinkel ϕ, jeweils in den entsprechenden axialen Höhen. Die Schneidgruppe wird mit konstantem Anpressdruck (F = const) an die Innenfläche angepresst. Große Werte des Kehrwertes entsprechen einer langsamen Verschiebung und damit einem größeren Materialabtrag. In Fig. 6 (b) repräsentiert die gestrichelte Kurve VO diejenige Variation des Kehrwertes der Verschiebungsgeschwindigkeit über den Drehwinkel, die erforderlich wäre, wenn ein Honwerkzeug, dessen oszillierende Schneidgruppe im oberen Endbereich der Zylinderbohrung in Umfangsrichtung verschoben wird, die Innenfläche bearbeitet. Die durchgezogene Linie VM entspricht der zeitlichen Variation bzw. Winkelvariation, die im Mittelbereich der Bohrung (RM) erforderlich wäre. Während die annähernd, aber nicht exakt 2-zählig radialsymmetrische Bohrungsquerschnittsform am oberen Ende im Wesentlichen durch eine Variation der Verschiebungsgeschwindigkeit mit zwei lokalen Minima und dazwischenliegenden lokalen Maxima (sowie einer kurzzeitigen Verlangsamung bei 180°) erreicht werden kann, erfordert das Formhonen im Mittelbereich der Bohrung (Kurve RM) bei einer einzigen Umdrehung des Honwerkzeuges einen vielfachen, schnellen Wechsel zwischen Anstieg und Zurücknahme der Verschiebungsgeschwindigkeit, der zu einer Ausbildung von sechs bis acht lokalen Abtragsmaxima und lokalen Abtragsminima bei einer vollen Umdrehung führt. Wird bei der Honbearbeitung das Honwerkzeug axial mit langen Hüben bewegt und gleichzeitig um seine Werkzeugachse rotiert, so ergibt sich der tatsächliche zeitliche Verlauf der an einer Schneidgruppe wirksame Verschiebungsgeschwindigkeit (bzw. Abtragsleistungen) aus einer Überlagerung der hier zur Vereinfachung erläuterten Verläufe, wobei sich auch die starke Variation in Axialrichtung (Fig. 5(b)) in einen Beitrag zur Variation der Verschiebungsgeschwindigkeit umsetzt.
  • Nach der Durchführung des Formhonens kann die Zylinderbohrung mit Hilfe eines Formmesssystems gemessen werden. Eine eventuell noch vorhandene, gemessene Differenz der Ist-Form zur Soll-Form kann zur Korrektur der Bearbeitungsparameter in Abhängigkeit von Hublage und Drehwinkel genutzt werden. Insbesondere kann somit während und/oder nach einer formerzeugenden Honoperation eine Vermessung der Bohrungsform zur Ermittlung von Form-Istwerten durchgeführt werden und eine Differenz zwischen den Form-Iswerten und der Sollform kann zur Korrektur der Steuerung der materialabtragenden Bearbeitung verarbeitet werden. Durch diesen Regelkreis ist eine verbesserte Genauigkeit des Formhonprozesses erzielbar.
  • Es sind zahlreiche Varianten des Bearbeitungsverfahrens möglich, wobei unterschiedliche Typen von Honwerkzeugen und/oder unterschiedlich aufgebaute und/oder gesteuerte Honmaschinen genutzt werden können. Bei einer Variante der in Fig. 1 dargestellten Honmaschine werden zusätzliche Baugruppen in die Konstruktion eingefügt, um die der Verschiebungsbewegung überlagerte Schwingungsbewegung von Schneidgruppen zu erzeugen. Beispielsweise kann innerhalb der Spindel 120 ein Schwingungserzeuger eingebaut werden, der den das Honwerkzeug 150 tragenden Teil der Spindel von einem antriebsseitigen Teil der Spindel abkoppelt und eine Relativbewegung des Honwerkzeug tragenden Abschnittes gegenüber dem antriebsseitigen Abschnitt in Axialrichtung und/oder in Umfangsrichtung ermöglicht, um die Schwingungsbewegung der Schneidgruppe zu realisieren. Es ist auch möglich, innerhalb des Honwerkzeuges einen Schwingungserzeuger anzubringen, der die Schneidstoffkörper der Schneidgruppe relativ zum Werkzeugkörper oszillierend antreibt. In beiden Fällen muss zur Erzeugung der Schwingungsbewegung weniger Masse bewegt werden als in der oben beschriebenen Ausführungsform, so dass bei gleicher eingeleiteter Kraft größere Schwingungsfrequenzen möglich sind.
  • Außerdem ist es möglich, an Stelle des in Fig. 2 gezeigten Honwerkzeuges 250 andere Typen von Honwerkzeugen zu verwenden. Figur 7 zeigt hierzu beispielhaft ein Honwerkzeug 700 mit vier symmetrisch um den Umfang verteilten, gleichartigen Honleisten 760, die über ein einziges, gemeinsames Zustellsystem 770 gemeinsam betätigt werden. Es sind keine expandierbaren oder nicht-expandierbaren Führungsleisten vorhanden. Solche einfach aufgebauten Honwerkzeuge sind besonders dann verwendbar, wenn im Wesentlichen rotationssymmetrische Bohrungsformen ggf. mit in Axialrichtung stark variierenden Durchmesser, und/oder Bohrungsformen mit 4-zähliger Radialsymmetrie erzeugt werden sollen.
  • Das Honwerkzeug 800 in Fig. 8 ist ein System mit Doppelaufweitung, d.h. mit zwei unabhängig voneinander betätigbaren Zustellsystemen. Dabei werden vier gleichmäßig um den Umfang verteilten erste Honleisten 860 über ein erstes Zustellsystem 870 gemeinsam verstellt. Eine in Umfangsrichtung symmetrisch zwischen zwei der Honleisten 860 angeordneten Honleiste 810 wird über ein gesondertes zweites Zustellsystem 820 betätigt. Mit Hilfe der vier gleichartigen Schneidstoffkörper 860 kann bei geeigneter Ansteuerung der Bewegungsgeschwindigkeit des Honwerkzeuges beispielsweise eine dominierende 4-zählige Rotationssymmetrie der Bohrungsform erzeugt werden. Durch Ansteuerung des zweiten Aufweitsystems wird gleichzeitig die einzelne Honleiste 810 zugestellt, die dann noch einen gezielten lokalen Materialabtrag erzeugt, um beispielsweise eine Bohrungsform mit einer von einer 2-zähligen Radialsymmetrie abweichenden Geometrie zu erzeugen (vgl. z.B. Fig. 5). Beide Zustellsysteme sind unabhängig voneinander als Funktion von Hublage und Winkelposition des Honwerkzeuges ansteuerbar.
  • Bei einer anderen Ausführungsform ist an der der Honleiste 810 gegenüberliegendes Seite eine weitere Honleiste vorgesehen, die von dem zweiten Zustellsystem 820 betätigbar ist. Durch gemeinsame Zustellung der diametral gegenüberliegenden zweiten Honleisten als Funktion von Hublage und Winkelposition des Honwerkzeuges kann beispielsweise eine Ovalität erzeugt werden, die einer vierzählig symmetrischen Form überlagert sein kann.
  • Figur 9 zeigt schematisch ein Honwerkzeug 900, das als Mehrleistenhonwerkzeug ausgelegt ist. Auf einer Seite des Honwerkzeuges ist eine einzelne materialabtragende Honleiste 960 angeordnet. An der zur Werkzeugachse diametral gegenüberliegenden Seite sind zwei ebenfalls zustellbare, jedoch nicht-schneidende Führungsleisten 970 angeordnet, die bezüglich ihres Aufbaus im Wesentlichen den Führungsleisten 270 in Fig. 2 entsprechen können. Die einzelne Honleiste 960 und die nicht-schneidenden Führungsleisten 970 werden über eine gemeinsame Zustelleinrichtung 980 zugestellt. Bei der Bearbeitung nehmen die Führungsleisten 970 die Gegenkraft der von der Honleiste 960 erzeugten Bearbeitungskraft auf. Es ist auch möglich, ein Honwerkzeug mit einer einseitig wirkenden Honleiste zu verwenden, die ebenfalls von Führungsleisten abgestützt wird, die sich auf der gegenüberliegenden Seite befinden (ähnlich Fig. 9), die aber nicht ausgefahren (zugestellt) werden.
  • Eine nicht gezeigte Variante eines Honwerkzeuges mit Doppelaufweitung hat eine erste Schneidgruppe, die in einem ersten axialen Abschnitt des Honwerkzeuges wirksam ist, sowie mindestens eine zweite, gesondert zustellbare Schneidgruppe, die sich in Axialrichtung versetzt zur ersten Schneidgruppe befindet, beispielsweise oberhalb der ersten Schneidgruppe oder unterhalb der Schneidgruppe (in Axialrichtung gesehen). Es ist möglich, ein solches Honwerkzeug so anzusteuern, dass die unterschiedlichen, axial versetzten Schneidbereiche mit unterschiedlichen Aufweitkräften beaufschlagt werden, um dadurch in verschiedenen axialen Höhen der Bohrung unterschiedliche Abträge zu erreichen.
  • Eine weitere, nicht gezeigte Variante eines Honwerkzeuges mit Doppelaufweitung hat eine erste Schneidgruppe, die in einem ersten Umfangswinkelbereich des Honwerkzeuges wirksam ist, sowie mindestens eine zweite, gesondert zustellbare Schneidgruppe, die in einem in Umfangsrichtung versetzt zum ersten Umfangswinkelbereich liegenden zweiten Umfangswinkelbereich des Honwerkzeuges wirksam ist. Die Schneidleisten, die von diesen zwei Aufweitungen (bzw. Zustellsystemen) gesteuert werden, befinden sich somit an verschiedenen Winkelpositionen. Die Zustellkraft wird für beide Aufweitungen getrennt in Abhängigkeit von Winkelposition und Hublage gesteuert.
  • In der Regel werden die materialabtragenden Bearbeitungsschritte zur Erzeugung der ggf. komplexen, unrunden und ggf. unsymmetrischen Bohrungsformen mit Hilfe eines Honwerkzeuges (oder mit Hilfe mehrerer nacheinander verwendeter Honwerkzeuge) erzeugt, wobei die Schneidgruppe dieser Honwerkzeuge für einen substantiellen Materialabtrag ausgelegt sind, um die Makroform der Bohrung in der gewünschten Weise zu erzeugen. Dies führt dazu, dass die Mikrostruktur der bearbeiteten Bohrungsinnenfläche möglicherweise nicht den für den Betrieb vorgegebenen Vorgaben hinsichtlich Oberflächenrauheit und/oder Oberflächenstruktur genügt. Daher wird bei bevorzugten Verfahren nach den formgebenden Bearbeitungsschritten mindestens eine im Wesentlichen formneutrale, d.h. die Makroform der Bohrung im Wesentlichen nicht verändernde Bearbeitungsoperation durchgeführt. Dabei können Honwerkzeuge mit entsprechend an die Oberflächenanforderung angepasster Körnung der Schneidstoffkörper und/oder Bürst- oder Plateauhonwerkzeuge und/oder andere die Oberflächenstruktur verändernde Bearbeitungswerkzeuge eingesetzt werden, beispielsweise berührungslos arbeitende Werkzeuge, wie Laser und/oder Wasserstrahlerzeuger, die die Oberflächenstruktur der Bohrungsinnenfläche ohne Beeinflussung der Makroform verändern können.
  • Beispielsweise kann eine "Plateauhonbearbeitung" durchgeführt werden, um die nach der formgebenden Honbearbeitung noch vorliegenden Spitzen des Rauheitsprofiles zu schneiden und dadurch den Traganteil der Oberfläche zu erhöhen. Bei der im Wesentlichen formneutralen Bearbeitungsoperation kann die Innenfläche der Bohrung z.B. mit einer Vielzahl von relativ zueinander beweglichen, elastisch gelagerten Schneidstoffkörpern bearbeitet werden, die in Axialrichtung des Honwerkzeuges eine maximale Ausdehnung von weniger als 10 % der Länge des Schneidbereiches des Honwerkzeuges haben. Ein solches stark segmentiertes Plateauhonwerkzeug ist in der Lage, die gewellte Oberfläche einer gezielt unrund bearbeiteten Bohrung mit einem Zylindrizitätsfehler von deutlich über 10 µm weitgehend gleichmäßig zu bearbeiten. Es kann durch Honleistensegmente gebildete Schneidstoffkörper haben, die auf einem in sich elastischen Grundkörper, beispielsweise einer Platte aus einem gummiartigen Werkstoff, aufgebracht sind. Dieser in sich elastische Grundkörper ist auf dem eigentlichen Grundmaterial der Honleiste, beispielsweise einem Träger aus Stahl, Kupfer oder dergleichen durch Verkleben oder auf andere Weise aufgebracht. Die Honleistensegmente können z.B. eine Ausdehnung von 10mm x 10mm haben. Damit ist bei der Plateauhonbearbeitung eine flächige Anlage der Segmente an die formgehonte Bohrung abgesichert, da sich die Schneidstoffkörper unter lokaler elastischer Verformung des elastischen Grundkörpers dem welligen Verlauf der Bohrungsinnenfläche anpassen können.
  • Da die vorbearbeitete Innenfläche auch bei stark asymmetrisch deformierten, nicht-kreiszylindrischen Bohrungsformen eine sehr gleichmäßige Rauheitsverteilung haben kann, ist auch nach dem letzten Bearbeitungsschritt eine gleichmäßige Oberflächenstruktur gewährleistet.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Honen der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere zum Honen einer Zylinderlauffläche bei der Herstellung von Zylinderblöcken für Brennkraftmaschinen, bei dem ein Honwerkzeug innerhalb der Bohrung bewegt wird und mindestens eine an dem Honwerkzeug angebrachte Schneidgruppe mit mindestens einem Schneidstoffkörper zur materialabtragenden Bearbeitung der Innenfläche mit einer Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    Erzeugung einer Schwingungsbewegung der Schneidgruppe im Wesentlichen parallel zur Innenfläche nach Maßgabe mindestens eines Schwingungsparameters;
    Erzeugung einer der Schwingungsbewegung überlagerten Verschiebungsbewegung der Schneidgruppe entlang der Innenfläche nach Maßgabe mindestens eines Verschiebungsparameters;
    Steuerung der Schwingungsbewegung und/oder der Verschiebungsbewegung zur Erzeugung eines über die Innenfläche lokal variierenden Materialabtrages an der Innenfläche zur Erzeugung einer vorgegebenen Sollform der Bohrung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schneidgruppe mit einer im wesentlichen konstanten Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Schneidgruppe mit einer in Abhängigkeit der Hub- und Winkellage der Schneidgruppe variierenden Zustellkraft an die Innenfläche angedrückt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schwingungsbewegung im wesentlichen konstant gehalten wird und die Steuerung der Verschiebungsbewegung in Abhängigkeit von der Sollform erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für jeden lokalen Bereich der Innenfläche eine Gesamt-Überlaufzeit eingestellt wird, die im wesentlichen proportional zu dem korrespondierenden gewünschten lokalen Materialabtrag ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verschiebungsbewegung durch eine Überlagerung einer Rotationsbewegung und einer alternierenden axialen Hubbewegung des Honwerkzeuges erzeugt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Honwerkzeug zur Erzeugung der Schwingungsbewegung in eine in Umfangsrichtung oszillierende Bewegung versetzt wird, wobei vorzugsweise für die in Umfangsrichtung oszillierende Bewegung eine Winkelamplitude von weniger als 90°, insbesondere von weniger als 45 °, vorgegeben wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Honwerkzeug zur Erzeugung der Schwingungsbewegung in eine in Axialrichtung kurzhubig oszillierende Bewegung versetzt wird, die vorzugsweise eine Axialamplitude von zwischen 1 % und 10% der Werkzeuglänge hat.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen starre Führung der Axialbewegung des Honwerkzeuges zur Erzeugung einer Axialbewegung des Honwerkzeuges im wesentlichen parallel zur Bohrungsachse der Bohrung und eine Steuerung der Schwingungsbewegung und der Verschiebungsbewegung einer einseitig an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Hublage und/oder der Winkelposition des Honwerkzeuges.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, worin ein Honwerkzeug verwendet wird, welches einen Satz von um den Umfang des Honwerkzeuges verteilten Führungsleisten zur axialen Führung des Honwerkzeuges in der Bohrung umfasst, die vorzugsweise unabhängig von der Schneidgruppe in Richtung auf die Innenfläche der Bohrung zustellbar sind, wobei die im Wesentlichen starre Führung der Axialbewegung dadurch erreicht wird, dass die Führungsleisten während der Bewegung des Honwerkzeuges in der Bohrung an die Innenfläche der Bohrung angedrückt werden.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Honwerkzeug verwendet wird, das eine einzige separat zustellbare Schneidgruppe hat, die vorzugsweise einen Eingriffswinkel von weniger als 90° besitzt, wobei der Eingriffswinkel vorzugsweise zwischen 1 ° und 70° liegt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin ein Honwerkzeug verwendet wird, das eine erste Schneidgruppe, die in einem ersten Umfangswinkelbereich des Honwerkzeuges wirksam ist, sowie mindestens eine zweite, gesondert zustellbare Schneidgruppe hat, die in einem in Umfangsrichtung versetzt zum ersten Umfangswinkelbereich liegenden zweiten Umfangswinkelbereich des Honwerkzeuges wirksam ist, wobei die Zustellkraft für beide Schneidgruppen getrennt in Äbhängigkeit von Winkelposition und Hublage des Honwerkzeuges gesteuert wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin an der Bohrung Formabweichungen erzeugt werden, die einem Zylindrizitätsfehler ΔZ von mehr als 10 µm entsprechen, wobei der Zylindrizitätsfehler ΔZ vorzugsweise bei mehr als 20 µm, insbesondere zwischen 20 µm und ca. 60 µm liegt, wobei der Zylindrizitätsfehler definiert ist als ΔZ=(DA-Dl)/2, wobei DA der Durchmesser eines die Innenfläche der Bohrung außen berührenden Zylinders und Dl der Durchmesser eines die Innenfläche der Bohrung innen berührenden Zylinders ist.
  14. Honmaschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, die eine Bewegungs-Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bewegung mindestens einer an einem Honwerkzeug angebrachten Schneidgruppe in Abhängigkeit von der Hublage und/oder der Winkelposition des Honwerkzeuges in einer Bohrung hat, wobei die Bewegungs-Steuerungseinrichtung zur Erzeugung einer Schwingungsbewegung der Schneidgruppe im wesentlichen parallel zu einer Innenfläche der Bohrung nach Maßgabe mindestens eines Schwingungsparameters und zur Erzeugung einer der Schwingungsbewegung überlagerten Verschiebungsbewegung der Schneidgruppe entlang der Innenfläche der Bohrung nach Maßgabe mindestens eines Verschiebungsparameters konfiguriert ist.
  15. Honmaschine nach Anspruch 14, bei der zur Einstellung einer lokal unterschiedlichen Werkstoffabtrennung sowohl die Hub- und/oder Umfangsgeschwindigkeit von langhubigen Verschiebungsbewegungen, als auch die Hub- und/oder Umfangsgeschwindigkeit von im Vergleich dazu kurzhubigeren Schwingungsbewegung jeweils in Abhängigkeit von der Hub- und Winkellage des Honwerkzeuges separat einstellbar sind.
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