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EP2976184B1 - Honverfahren und honwerkzeug - Google Patents

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Publication number
EP2976184B1
EP2976184B1 EP14708570.8A EP14708570A EP2976184B1 EP 2976184 B1 EP2976184 B1 EP 2976184B1 EP 14708570 A EP14708570 A EP 14708570A EP 2976184 B1 EP2976184 B1 EP 2976184B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
honing
tool
bore
cutting
annular
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.)
Active
Application number
EP14708570.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2976184A1 (de
EP2976184B2 (de
Inventor
Fabio Antonio XAVIER
Oliver Bachmann
Florian KRANICHSFELD
Herbert Rauscher
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.)
Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Original Assignee
Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=50238395&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP2976184(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG filed Critical Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority to SI201430539T priority Critical patent/SI2976184T2/sl
Priority to PL14708570T priority patent/PL2976184T5/pl
Publication of EP2976184A1 publication Critical patent/EP2976184A1/de
Publication of EP2976184B1 publication Critical patent/EP2976184B1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2976184B2 publication Critical patent/EP2976184B2/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • B24B33/08—Honing tools
    • B24B33/088—Honing tools for holes having a shape other than cylindrical

Definitions

  • the invention relates to a honing process for machining the inner surface of a bore in a workpiece by means of at least one honing operation according to the preamble of claim 1, as well as a honing tool usable in carrying out the honing process according to the preamble of claim 6.
  • a preferred field of application is the honing of cylinder surfaces the production of cylinder blocks or cylinder liners for reciprocating engines.
  • cylinder surfaces in cylinder blocks (cylinder crankcases) or cylinder liners of internal combustion engines or other reciprocating engines are exposed during operation of a strong tribological stress. Therefore, it is important in the production of cylinder blocks or cylinder liners to edit these cylinder surfaces so that later in all operating conditions sufficient lubrication is ensured by a lubricant film and the frictional resistance between relatively moving parts is minimized.
  • Honing is a machining process with geometrically indeterminate cutting edges.
  • an expandable honing tool is moved within the bore to be machined to generate a stroke in the axial direction of the bore with a stroke frequency up and down or back and forth and simultaneously rotated to produce a lifting movement superimposed rotary motion at a rotational frequency.
  • the cutting material bodies attached to the honing tool are pressed against the inner surface to be machined via a feed system with a feed force acting radially to the tool axis.
  • a cross-cut pattern typical of honing is produced on the inner surface with intersecting machining marks, which are also referred to as "honing marks".
  • the friction ratio of the piston group can be up to 35%, so that the friction reduction in this area is desirable.
  • a technology that is becoming increasingly important for the reduction of friction and wear is the avoidance or reduction of cylinder distortions or deformations of the engine block (cylinder crankcase) during assembly and / or operation.
  • a cylinder bore should typically have a bore shape that is as small as possible, e.g. a few micrometers, deviates from an ideal circular cylinder shape.
  • the causes of distortions or deformations are different. It may be static or quasi-static thermal and / or mechanical loads or dynamic loads.
  • the construction and design of cylinder blocks also influence the tendency to deform.
  • the sealing function of the piston ring package is typically degraded by such hard-to-control deformations, which can increase blow-by, oil consumption and friction.
  • Formhonen Another technology that is intended to ensure or approximate the formation of an ideal shape after assembly or in the operating state of the engine by an inversion of the cylinder distortions (generation of a negative shape of the error) is the so-called Formhonen.
  • This is the unstrained workpiece
  • a bore shape deviating from the circular cylindrical shape is produced, for example a cloverleaf shape.
  • Such bore shapes are usually asymmetrical, because the deformations of the cylinder block are usually not symmetrical.
  • the most ideal circular cylindrical shape should result, so that the piston ring package can seal well over the entire circumference of the bore.
  • Different variants of the Formhonens become for example in the EP 1 790 435 B1 and in the prior art cited therein.
  • the EP 1 321 229 A1 which forms the basis for the preambles of claims 1 and 6, describes a method for producing a bore which has an initial shape in the unloaded state and in the operating state a deviating from the initial shape desired shape.
  • the deformation of a bore to the desired shape is determined in the operating state, by means of the desired shape and the deformation of the initial shape is determined and the bore is brought with a machining process in the initial form.
  • the initial shape of the bore is largely cylindrical in an upper region and elliptical in a lower region. The two areas merge into a middle transition area.
  • a honing machine which has one to four honing stones. Since the bore geometry changes continuously in the middle region between the cylindrical and the elliptical area, honing stones with very little axial extension are used.
  • the international patent application with publication number WO 01/76817 A1 discloses a hydraulically expandable honing tool with an annular cutting group at the spindle end of the honing tool.
  • the cutting pads are attached to the end of outwardly expandable tongues formed integrally with the tool body.
  • the tongues are spread outwardly upon delivery to increase the effective outer diameter.
  • German patent application DE 16 52 074 A1 discloses a honing tool having a cutting assembly consisting of two diametrically opposed honing segments with outboard ribs on which the cutting pad sits.
  • the invention provides a honing method having the features of claim 1. Furthermore, a honing tool with the features of claim 6 is provided, which can be used in the context of the honing process.
  • a bottle-shaped bore i. a hole with a bottle shape generated.
  • a "bottle-shaped bore" immediately following a bore entry has a first bore portion having a first diameter remote from the bore entry, a second bore portion having a second diameter greater than the first diameter, and a transition portion between the first and second bore portions a continuous transition from the first diameter to the second diameter.
  • the first bore portion and the second bore portion are generally circular cylindrical basic shape and are coaxial with each other.
  • the transition portion may be partially conical and at its ends facing the outer bore sections each pass with suitable radii in the adjacent bore sections.
  • the bottle-shaped macro-shape With a suitable design of the bottle-shaped macro-shape significant advantages in terms of friction reduction, reduced blow-by and reduced oil consumption can be achieved. Furthermore, improvements in the wear resistance of the piston ring package and positive influences on the noise during operation may result.
  • the relatively narrower first bore section near the bore entry, ie in the "bottleneck" an essential part of the combustion takes place in an internal combustion engine. Any high oil supply in this section could lead to emissions and oil consumption issues.
  • the ring pack of the piston rings can well fulfill its conventional functions (in particular the sealing against combustion gases and the stripping of the oil film in the backward movement) due to the relatively high hoop stress.
  • the piston accelerates in first bore portion and reaches the transition portion with gradually increasing diameter.
  • the piston ring tension is reduced by increasing the diameter.
  • a smooth inlet and outlet of the piston rings can be achieved at the transition section, so that ring wear or engine erosion can be avoided.
  • the friction loss is automatically reduced.
  • a honing tool particularly suitable for this purpose is used in at least one honing operation, which is also referred to here as "ring tool” due to its construction.
  • An "annular tool” in the sense of this application has at least one annular cutting group with three or more distributed around the circumference of the tool body of the honing tool radially deliverable cutting bodies, which are designed as relatively wide in the circumferential direction of the honing tool and in the axial direction of the honing tool relatively narrow Honsegmente.
  • the axial length of the honing segments measured in the axial direction of the honing tool is smaller than the width measured in the circumferential direction and the axial length of the cutting area equipped with cutting material bodies is smaller than the effective outside diameter of the honing tool.
  • the machining forces can be distributed well and relatively evenly over the circumference over the entire available through radial feed effective outside diameter range of the honing tool. It can e.g. be provided in a cutting group exactly three, exactly four, exactly five or exactly six Honsegmente same or different circumferential width. Although more than six honing segments within a cutting group are possible, they make the design more complicated and are generally not required.
  • the axial length of the segments may be e.g. less than 30% of the effective outer diameter of the honing tool, in particular between 10% and 20% of this outer diameter.
  • the axial length may e.g. in the range of 5 mm to 20 mm.
  • the axial length is typically less than 10% of this bore length. If the upper limits are clearly exceeded, the possibility of axial contour tracing or contour generation usually suffers.
  • small axial lengths are advantageous to produce sufficient surface pressure for machining.
  • a minimum length in the axial direction is advantageous in order to allow a honing overflow for machining the bore ends and to limit a tilting tendency of the honing tool.
  • Such a ring tool represents a departure from conventional concepts of honing tool design, which assume that to achieve less Form errors a honed bore honing tools should be used in the axial direction relatively long, in the circumferential direction, however, relatively narrow honing stones.
  • An annular tool is particularly well adapted to the machining of bottle-shaped bore shapes or generally of bore shapes with significantly varying bore diameter in the axial direction.
  • the cutting material bonded cutting grains of appropriate granularity, density and hardness
  • is concentrated in an axially relatively narrow ring typically more than half of the circumference of an annular cutting group is occupied by cutting means and, accordingly, effectively contributes to material removal.
  • the cutting area in which one or more annular cutting groups are located is short in the axial direction compared to the effective outer diameter of the honing tool, whereby the generation and / or tracking of an axially extending contour is possible.
  • An annular cutting group distinguishes itself in comparison with conventional honing stones in that in the axial section covered by the annular cutting group substantially more contact surface exists between the cutting bodies and the bore inner surface than in a comparatively narrow axial section of a conventional honing tool.
  • more than 60% of the circumference of an annular cutting group is occupied by cutting means, possibly even more than 70% or more than 80% of the circumference of the honing tool.
  • a cutting group is arranged in the vicinity of a spindle end facing away from the tool body, that the cutting group is located exclusively in the spindle facing away from the tool body. If several annular cutting groups are provided, this condition can apply to all cutting groups.
  • An arrangement near the end remote from the spindle allows i.a. Bearings with very little honing overflow.
  • the stroke position of the honing tool can be used within the bore as a guide to specify the contact pressure or the delivery force as a function of the stroke position of the annular cutting group with high local resolution.
  • a ring tool can be used in all axial areas the bore can be worked with substantially the same coverage, so that if necessary very uniform roughness images or surface structures can be produced. If an annular tool is used, it may be possible to work with very little honing overflow at the axial ends of a bore without problems of uneven cutting body wear.
  • One or more sensors of a diameter measuring system can be arranged on the honing tool, so that an in-process diameter measurement is possible.
  • measuring nozzles of a pneumatic diameter measuring system can be mounted between adjacent honing segments on the tool body. As a result, the precision of the achievable bore contours can be improved.
  • the ring tool has a single annular cutting group, whose honing segments can be radially delivered or retracted via a single common delivery system.
  • the annular cutting group has three or more uniform or uneven honeycomb segments distributed over the circumference of the honing tool, typically not more than six.
  • the single annular cutting group is arranged in the vicinity of the spindle-facing free end of the tool body, for example, flush with the end face remote from the spindle.
  • Such constructions are particularly well suited for machining cylinder bores with reduced honing overflow.
  • Such limitations in processing arise, for example, blind holes or cylinder bores in engine blocks for monobloc or V-engines.
  • annular cutting group has two independently deliverable groups of honing segments, wherein the honing segments of the groups are arranged alternately in the circumferential direction.
  • This makes it possible to combine the advantages of a single annular cutting group (for example, with respect to the machining of bores with short Honüberlauf) with the advantages of a double delivery of two independent groups of honing segments.
  • the honing segments of a group of honing segments usually have the same cutting deposit, while the groups have different cutting plaques, for example diamond plaques of different grain size.
  • a ring tool has a first annular Schneden and at least one second annular cutting group, which is axially offset from the first annular cutting group and can be delivered independently of the first annular cutting group.
  • This also makes two consecutive honing operations with different cutting materials without intermediate tool change possible. Since the different cutting materials are distributed over the at least two axially offset annular cutting groups, each of which can cover a large part of the circumference of the honing tool, particularly high removal rates or relatively short honing times are possible in both honing operations.
  • Such ring tools can be used for all holes that allow enough Honüberlauf. With two or more annular cutting groups bridging Pulsations contemplatn or cross holes or hole interruptions of any kind is particularly easy.
  • Such a ring tool preferably has exactly two annular cutting groups, whereby a flexible use is possible despite a simple structure.
  • an integrated, multi-axially movable joint for example a ball joint or a cardan joint, is provided on the tool body.
  • a ball joint or a cardan joint is provided on the tool body.
  • positional errors of the machine and / or a core offset of the bore can be compensated without changing the bore position.
  • Embodiments without joint are also possible.
  • Such ring tools can be rigidly coupled to a honing spindle or rigidly coupled to the honing spindle drive rod.
  • the bottle shape of the bore can be produced by any suitable machining process, for example by fine turning (fine spindles), ie by means of a machining process with a geometrically defined cutting edge, or by honing. This can be followed by one or more honing operations to arrive at the final desired hole geometry with a suitable surface structure.
  • a hole with a circular cylindrical bore shape is first produced by fine turning or honing and then in aaunhonoperation by honing with axially varying Honabtrag a bottle-shaped bore shape is generated.
  • honing makes it possible to produce surfaces with particularly uniform surface quality without circumferential tracks.
  • the self-sharpening effect of the cutting material body also contributes to the uniformity of the surface quality.
  • an expandable honing tool with at least one annular cutting group is used in the bottle honing operation, ie an annular tool. Honsegmente the cutting group in a downstroke according to the bottle shape depending on stroke position, away and / or force controlled delivered radially outward and retracted radially in an upstroke according to the bottle shape in response to the stroke position.
  • the bottle honing operation it is also possible for the bottle honing operation to use an expandable honing tool with honing stones whose length is more than 50% of the length of the bore.
  • the length of the honing stones can for example be between 50% and 80% of the length of the bore.
  • the honing tool is moved back and forth in the second stroke position.
  • the basic shape of the transitional section essentially arises during the second phase of the gradual stroke position displacement and lifting height reduction, whereby the diameter increase in the second bore section is generated simultaneously and also in the third phase.
  • a relatively rough surface structure with a profile similar to a saw profile can be produced in the transition section.
  • a smooth honing operation is preferably carried out after the bottle honing operation for smoothing the bore profile in the transition region, wherein an annular tool is used in the smoothing honing operation, ie an expandable honing tool with at least one annular cutting group.
  • the invention also relates to a honing tool, which is particularly suitable for carrying out the honing process, but can also be used in other non-inventive honing process.
  • the invention also relates to a workpiece having at least one bore having a honed inner surface, wherein the bore is a bottle-shaped bore, which subsequent to a bore entry a first bore portion having a first diameter, remote from the bore entry, a second bore portion having a second diameter, is larger than the first diameter, and between the first and the second bore portion has a transition portion with a continuous transition from the first to the second diameter, wherein the workpiece has been machined using a honing tool according to the invention.
  • the workpiece may be a cylinder block or a cylinder liner for a reciprocating engine.
  • the reciprocating engine may be e.g. to an internal combustion engine (internal combustion engine) or to act as a compressor.
  • honing methods and honing tools are described, which can be used in the context of embodiments of the invention both material-removing machining of workpieces having one or more holes, which should have the macro-shape of a bottle in the finished state.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through such a bottle-shaped bore 110 in a workpiece 100 in the form of an engine block (cylinder crankcase) for an internal combustion engine.
  • the bore is rotationally symmetric with respect to its bore axis 112 and extends over a bore length L from a bore inlet 114 facing the cylinder head to the bore exit 116 at the opposite end.
  • the bore can be subdivided into three contiguous sections of different function, which merge into one another, ie without the formation of steps or edges.
  • a first bore portion 120 at the entrance end has a first diameter D1 and a first length L1.
  • a second bore portion 130 whose inner diameter (second diameter) D2 is greater than the first diameter D1.
  • a partially conical transition section 140 in which there is a continuous transition from the first diameter to the second diameter.
  • a first radius R1 is formed, while a second radius R2 is formed between the transition section and the second bore section.
  • the radii R1 and R2 may be substantially equal, but it is also possible that the first radius is smaller or larger than the second radius.
  • the first length L1 may be between 15% and 40% of the bore length L.
  • the second length L2 is typically greater than the first length and is often between 40% and 60% of the bore length L.
  • the transition section is normally relatively short to the adjacent bore sections.
  • Typical third lengths L3 can be in the range of 5% to 20% of the bore length L are. Even deviations from these geometrical conditions are possible.
  • the difference in diameter between the first diameter D1 and the second diameter D2 is well outside the tolerances typical for honing, which are for a cylindrical shape in the order of a maximum of 10 microns (based on the diameter). With an absolute value of the inner diameter in the order of between 70 mm and 150 mm, the difference in diameter may for example be between 20 ⁇ m and 90 ⁇ m.
  • the radii R1, R2, the lengths of the outer bore portions and the transition portion, and the tangent angle T between the bore axis and a tangent to the transition portion may be optimized to provide low blow-by, low oil consumption, and low wear in typical engine operating conditions Give piston rings.
  • the bottle shape of the bore means that the bore in the region near the inlet is comparatively narrow, so that the piston rings of the piston running in the bore are pressed against the bore inner surface 118 under high hoop stress.
  • the piston accelerated by the combustion then moves in the direction of the bore exit, whereby the piston rings first pass (partially) through the transition section with the continuously enlarged inner diameter and then the second bore section. In the transition section, the piston rings can gradually relax, with the seal remaining sufficient because the pressure difference across the piston rings decreases.
  • the ring package At the beginning of the second bore section, the ring package reaches its lowest tension, so that friction losses are reduced by reduced ring tension, especially in the range of maximum piston speed.
  • the hoop tension then increases again as soon as the piston rings reach the exit-side radius of the transition section and pass through it in the direction of the first bore section.
  • a finishing process that can economically produce such a well in terms of both the macro-shape (bottle shape) and in terms of the surface structure of the tribologically stressed bore inner surface in high quality comprises in embodiments of the invention at least one honing operation, in which a honing tool of special construction is used, which is also referred to in this application as "ring tool".
  • An annular tool has at least one annular group attached to the tool body cutting group with distributed around the circumference of the tool body Schneidstoff emotionsn that can be delivered by an associated delivery system in the radial direction or withdrawn.
  • the cutting material bodies are designed as Honsegmente whose width in the circumferential direction is significantly greater than their length in the axial direction.
  • the cutting material bodies responsible for material removal on the workpiece are concentrated in an axially relatively narrow zone (a ring of the cutting group) and occupy a relatively large portion of the circumference of the honing tool.
  • bore shapes can be produced with a relatively high material removal rate, in which bore sections of different diameters adjoin one another in the axial direction.
  • Fig. 2 2A shows a longitudinal section through an embodiment of an annular tool 200 with a single annular cutting group 220 and simple expansion.
  • Fig. 2B shows a cross section through the cutting group
  • the ring tool 200 has a tool body 210, which defines a tool axis 212, which is also the axis of rotation of the ring tool during honing.
  • a coupling structure not shown for coupling the ring tool to a drive rod of a honing machine or other machine tool, which has a work spindle which is both to the spindle axis rotatable and parallel to the spindle axis oscillating back and forth movable.
  • the annular cutting group 220 which has several (in the example, three) evenly distributed over the circumference of the tool body Schneidstoffmaschine 220-1, 220-2, 220-3, which delivered by means of a Schneidstoff Ari-delivery system radially to the tool axis 212 to the outside can be used to press the abrasive outer sides of the Schneidstoffköpers with a defined pressure force or contact force against the inner surface of a bore to be machined.
  • Each of the three curved cutting material body is designed as a very wide in the circumferential direction, in contrast, in the axial direction against narrow Honsegment which covers a circumferential angle range between 115 ° and 120 °.
  • the honing segments are decoupled from the tool body and displaceable radially relative to the tool axis 212.
  • the ring formed by the honing segments terminates flush with the tool body on the side facing away from the spindle, so that the ring is completely inside the spindle Half of the tool body sitting at the spindle end facing away from the ring tool.
  • the axial length LHS of the Honsegmente is less than 15%, in particular less than 10% of the bore length L.
  • the Honsegmente are about 4 mm to 35 mm, in particular about 10 mm high (in the axial direction), which in the example between 5% and 30%, in particular between 10% and 20% of the effective outside diameter of the cutting group.
  • the axial length LHS corresponds here simultaneously to the axial length of the entire cutting region of the honing tool.
  • Each cutting material body is fixed to an outside of an associated support bar 224-1, 224-2 made of steel by soldering. Alternatively, the cutting material body can also be attached by gluing or by screws, whereby an easier replacement is possible.
  • Each support bar has on its inner side an inclined surface which cooperates with a conical outer surface of an axially displaceable Zustellkonus 232 in such a way that the support bars are delivered with the cutting material carried therefrom radially outward when the Zustellkonus means of a machine-side feed device against the force of return springs 234, 226, 228 is pressed in the direction of the spindle facing away from the end of the ring tool.
  • the carrying strips with the honing segments are retrieved radially inward with the aid of circulating return springs 226, 228.
  • the radial position of the cutting material body is thereby controlled without play on the axial position of the Zustellkonus 232.
  • This tool concept is particularly suitable for machining cylinder bores with reduced honing overflow, for example with a maximum of 5 mm honing overflow.
  • Such geometries typically occur in blind holes or in monoblock or V motors.
  • a ring tool 300 which also has a single annular cutting group 320, which is arranged at the end face facing away from the spindle 310 of the tool body.
  • Fig. 3A shows a longitudinal section through the ring tool
  • Fig. 3B a cross section through the cutting group.
  • the annular cutting group 320 has two independently deliverable groups of honing segments, wherein the honing segments of the groups are each arranged alternately in the circumferential direction are.
  • a first group of honing segments has three first honing segments 320-1, which are arranged offset from each other by 120.degree.
  • the first group has cutting material body with a relatively coarse cutting surface, while the second group has cutting material body with a relatively finer cutting surface.
  • a ball joint 350 is provided between the tool body 310 and the coupling structure 340 provided for coupling the honing tool to a work spindle or the like, so that the honing tool is limitedly movable in several axes with respect to the honing spindle.
  • the first honing segments can be delivered radially by means of a first delivery system.
  • a first delivery system To this belongs a centric to the tool body extending first feed rod 332-I, which has a conical portion at the end remote from the spindle, which cooperates with the inclined surfaces of support strips of the first group of Honsegmenten.
  • a second delivery system serves to deliver the second group of honing segments and has a tubular delivery element 332-A, which encloses the delivery rod 332-I and has at its end remote from the spindle a conical outer surface which cooperates with inclined surfaces on the support strips of the second honing segments.
  • the three honing segments of the first group of honing segments can be expanded to perform a specific honing operation, for example a smooth honing operation or a structure honing operation.
  • a specific honing operation for example a smooth honing operation or a structure honing operation.
  • another honing operation such as a de-grating operation or a plateau honing operation may be performed.
  • two different honing operations can be carried out one after the other, without having to change tools or use another honing spindle for machining.
  • FIG. 4A shows a schematic longitudinal section through an embodiment of a double expansion ring tool 400, which, in contrast to the exemplary embodiment of FIG Fig. 3 has two annular cutting groups 420-1 and 420-2, which are axially offset from each other in the spindle facing away from the tool body 410 are mounted.
  • Each of the annular cutting group (cross section in Fig. 4B ) has three common deliverable segments, each between about 110 ° and 115 ° of Cover the circumference.
  • the axial length of the honing segments is small and is typically less than 10% of the bore length and / or between 10% and 20% of the effective outside diameter of the honing tool in the area of the cutting material body.
  • measuring nozzles 440 of a pneumatic diameter measuring system are respectively attached to the tool body.
  • the cutting groups are axially close to each other, so that the cutting region of the honing tool, in which the two annular cutting groups lie, in the axial direction is substantially shorter than the effective outer diameter of the honing tool.
  • the cutting material bodies are elastically yielded with respect to the tool body. This can possibly improve the ability to trace the contour during axial movement.
  • spring elements e.g., leaf springs, spiral compression springs of the like
  • the support elements may be interposed between the support members and the cutting material bodies. It is also possible to make the support elements elastically yielding, e.g. in that weakenings of the carrier material cross-section in the form of slots or the like are constructively provided at suitable locations.
  • a conventional honing tool with axially relatively long, narrow honing stones was initially used in order to produce a honed bore with a circular cylindrical shape starting from, for example, a pre-machined hole by fine boring.
  • the axial ledge length I was about 1/2 to 2/3 of the total hole length L.
  • a first honing operation pre-honing
  • a subsequent arhonoperation was carried out with fine grain size (grain size D54).
  • a substantially circular-cylindrical bore shape with little deviation from the ideal shape and with a relatively smooth surface (R Z ⁇ 8 ⁇ m) was produced.
  • the inlet-side and outlet-side honing overflow S was approximately 1/3 of the strip length, similar to conventional methods.
  • the honing overflow can be shortened when machining V or monoblock motors.
  • a subsequent third honing operation was designed as a bottle honing operation.
  • a bottle honing operation By means of a bottle honing operation, a bottle-shaped bore shape is produced by axially varying material removal with geometrically indefinite cutting.
  • Fig. 6 shows schematically the stroke position HP of the honing tool as a function of honing time t in the bottle honing operation.
  • the machining of the cylinder running surface initially proceeds from a first time t 1 to a second time t 2 with the same stroke length in a first stroke position as in the machining of a circular cylindrical bore.
  • stroke position here refers to the area between the upper Um Kunststofftician UO and the lower Um Kunststofftician UU a lifting movement. Each shift of a Um Kunststoffens thus also changes the Hublage.
  • the honing machine switches automatically to an incremental change of the stroke position and after each stroke the upper Um Kunststofftician UO is incrementally changed in the direction of the lower Um Kunststoffticians UU.
  • the temporal position of the second time t 2 can be defined for example over a certain number of strokes or over a predetermined honing time or over a predetermined material removal or other triggering parameters.
  • the amount of increment IN by which the upper reversal point changes between two consecutive strokes can also be adjusted as needed.
  • the bore is honed with the reached, new third stroke position until the second bore section reaches the desired diameter and the bottle shape (see. Fig. 1 ) is generated.
  • the bottle honing operation is expediently carried out with honing stones whose cutting material grains are finer than those during pre-honing or intermediate honing. For example, it is possible to work with diamond grains in the region D35 in order to obtain a bottle shape with already a relatively fine surface structure.
  • a suitable ring tool eg single widening, double widening with two cutting groups arranged in a common ring, or double widening with two cutting groups arranged in two axially offset annular cutting groups
  • the tool selection can be oriented, for example, to the extent of the possible honing overflows and / or the position and size of transverse bores. If, for example, a cylinder crankcase has a large transverse bore, it usually makes sense to use a ring wrench with single widening (cf. Fig. 2 ) to work.
  • such an annular tool has been employed with an annular cutting assembly to smooth grooves or burrs created during processing of the bottle honing operation in the transition section.
  • the radii of the transition region can also be rounded and the surface values changed to be substantially identical to the surface values in the adjacent first and third bore sections.
  • Fig. 7 shows a measurement diagram of a rounded profile of a bottle-shaped cylinder after the use of a ring tool with single expansion in the process shown here.
  • the scale in the x-axis of the diagram (parallel to the bore axis) is 5 mm per unit of measurement shown, in the y-axis (in the radial direction of the bore) a unit of measure is 10 ⁇ m.
  • annular tool with simple widening an annular tool with a single cutting group ring and double widening (cf. Fig. 3 ) is used for patterning, it will usually be necessary to increase the number of strokes over the use of a simple expanding ring tool to ensure a uniform coverage.
  • the benefits of ring tools are retained and the number of strokes required to uniformly contour the bore internal surface will still be less than the corresponding stroke rate when using a conventional honing tool with long honing stones.
  • the feed force can be expediently exerted by means of a hydraulic expansion, so that the surface can be processed with a constant force substantially.
  • the tracking of the varying contour in the axial direction can then be adjusted by the type alone by the flexibility of the hydraulic expansion.
  • one or more further honing operations can be followed in order to produce the final desired surface structure on the bottle-shaped bore.
  • the process described here by way of example initially follows a fifth honing operation, which is referred to here as "spiral structure honing with ring tool".
  • the axial speeds and the speed of the honing tool are coordinated so that relatively large honing angles, for example of the order of 140 °, are generated.
  • relatively large honing angles for example of the order of 140 °
  • other honing angles and / or roughness profiles can be generated in other variants of the method.
  • the Spiral Genevahonen is designed in the example so that virtually no global material removal is achieved, but only in the after-rounding very smooth surface using a relatively coarse cutting material body with low cutting grain density grooves of suitable depth and distribution are generated. It can, for example, cutting material body with Schneidkarn Experience 1.25 to 15 vol.% And / or grain size 35 to 200 microns are used (see, eg DE 10 2005 018 277 A1 ).
  • the previously structured surface is deburred (deburring).
  • an annular tool with fine cutting means is preferably also used, for example the same ring tool, which was also used for the fourth honing operation (rounding of radii andtrafurlhones).
  • the expansion can be designed hydraulic / hydraulic, hydraulic / mechanical or mechanical / mechanical. In the case of a mechanical widening, it is possible, for example, to use force-controlled power via a servo-mechanical expansion (hydraulic-like) or position and force-controlled.
  • an expandable ring tool is used in the bottle honing operation, that is to say in the production of a bottle-shaped bore form from a previously circular-cylindrical bore shape.
  • the control of the expansion system for the radial delivery of the honing segments is coupled to the control for the stroke position, so that the ring tool can accurately generate the transition section with the changing diameter and also operates in the cylindrical first and second bore section with a suitable pressing force ( see. Fig. 8 ).
  • the bottle honing operation may be provided as a second honing operation immediately after prehone, and so far may substitute the second to fourth honing operations of the first embodiment.
  • the stroke-dependent control of the expansion is then carried out so that the honing segments of the cutting group in a downward stroke corresponding to the bottle shape as a function of the stroke position and force controlled delivered radially outwards and in an upstroke according to the bottle shape as a function of the stroke position in the transition section again be withdrawn radially.
  • a smooth contour in the transition section can be achieved.
  • Fig. 8 2 shows by way of example a schematic diagram which shows the dependence of the axial stroke position HP (solid line) and the radial widening position AP (dashed line) as a function of the honing time t during bottle honing with ring tool.
  • Ring tools of the type described here can not only be used for the production or processing of bottle-shaped holes, but can also bring significant benefits without modification when machining holes with different geometry.
  • a double expansion ring tool with a single cutting group ring identical or similar to the embodiment of FIG Fig. 3 to use to create a freeform on a bore with a non-circular bore cross-section.
  • This is commonly referred to as form honing.
  • a bore section with shamrock shape or elliptical shape of the cross section can be produced.
  • the honing machine must have the ability to simultaneously control the first delivery system and the second delivery system, depending on the stroke position and angular position of the cutting group to the bore expansions must be controlled with different force / position, so that the freeform can arise.
  • annular tool to create and / or machine a bore shape that has a frusto-conical bore portion (cone portion) that transitions relatively abruptly or with transition radius into an adjacent cylindrical bore portion without joining another bore portion.
  • a bore of funnel shape having an input cylindrical first bore portion having a first diameter which increases conically in an adjacent second bore portion toward the bore bottom to a maximum diameter.
  • the difference in diameter between the cylindrical first bore portion and the maximum diameter in the conical second bore portion may be e.g. between about 20 microns and about 90 microns.
  • the axial length of the cylindrical first bore portion may be e.g. between 20% and 80% of the total bore length.
  • a ring tool in a bore to form a barrel-shaped bore section, i. to create a bulge in an otherwise largely cylindrical bore.
  • the bulge may be approximately in the middle or close to one of the bore ends.
  • strip honing When using an annular tool, it is relatively inexpensive possible to edit a cylinder surface so that in the region of the top dead center and / or in the region of the bottom dead center narrow strip with different surface structures than in the middle region highest piston speed. This variant is referred to here as "strip honing".
  • a conventional Verfanren suitable for this purpose and a correspondingly adapted honing tool are eg in the DE 195 42 892 C2 described.
  • a long-stroke machining of the entire bore length can be carried out with the first annular cutting group, before then, for example, with the second cutting group in the region of top dead center, a short-stroke machining to produce a special structure in the region of top dead center is performed.

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Description

    HINTERGRUND
  • Die Erfindung betrifft ein Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mithilfe mindestens einer Honoperation gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie ein bei der Durchführung des Honverfahrens verwendbares Honwerkzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen.
  • Die Zylinderlaufflächen in Zylinderblöcken (Zylinderkurbelgehäusen) oder Zylinderlaufbuchsen von Brennkraftmaschinen oder anderen Hubkolbenmaschinen sind im Betrieb einer starken tribologischen Beanspruchung ausgesetzt. Daher kommt es bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen darauf an, diese Zylinderlaufflächen so zu bearbeiten, dass später bei allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierung durch einen Schmiermittelfilm gewährleistet ist und der Reibwiderstand zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen möglichst gering gehalten wird.
  • Die qualitätsbestimmende Endbearbeitung solcher tribologisch beanspruchbaren Innenflächen erfolgt in der Regel mit geeigneten Honverfahren, die typischer Weise mehrere aufeinanderfolgende Honoperationen umfassen. Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Bei einer Honoperation wird ein aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der zu bearbeitenden Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung mit einer Hubfrequenz auf und ab bzw. hin- und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung mit einer Umdrehungsfrequenz gedreht. Die am Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper werden über ein Zustellsystem mit einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft an die zu bearbeitende Innenfläche angedrückt. Beim Honen entsteht an der Innenfläche ein für die Honbearbeitung typisches Kreuzschliffmuster mit sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren, die auch als "Honriefen" bezeichnet werden.
  • Mit steigenden Anforderungen an die Sparsamkeit und Umweltfreundlichkeit von Mobren ist die Optimierung des tribologischen Systems Kolben/Kolbenringe/Zylinderlauffläche von besonderer Bedeutung, um geringe Reibung, geringen Verschleiß und geringen Ölverbrauch zu erreichen. Der Reibungsanteil der Kolbengruppe kann bis zu 35% betragen, so dass der Reibungsreduzierung in diesem Bereich wünschenswert ist.
  • Es werden unterschiedliche Ansätze verfolgt, um die mechanischen Verluste eines Motors zu reduzieren. Hierzu gehören u.a. die Nutzung thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen, die Verwendung beschichteter Kolbenringe, die Entwicklung besonders optimierter Honoberflächen etc..
  • Eine Technologie, die für die Reduzierung der Reibung und des Verschleißes immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die Vermeidung bzw. Reduzierung von Zylinderverzügen bzw. Deformationen des Motorblocks (Zylinderkurbelgehäuses) bei der Montage und/oder im Betrieb. Nach einer konventionellen Honbearbeitung soll eine Zylinderbohrung typischerweise eine Bohrungsform haben, die möglichst wenig, z.B. maximal wenige Mikrometer, von einer idealen Kreiszylinderform abweicht. Während der Montage oder des Betriebs des Motors kann es jedoch zu deutlichen Formfehlern kommen, die bis zu mehreren Hundertsteln Millimeter betragen und die Performance des Motors verringern können. Die Ursachen von Verzügen bzw. Deformationen sind unterschiedlich. Es kann sich um statische oder quasi statische thermische und/oder mechanische Belastungen handeln oder um dynamische Belastungen. Auch die Konstruktion und das Design von Zylinderblöcken haben Einfluss auf die Neigung zu Deformationen. Die Dichtfunktion des Kolbenringpakets wird durch solche schwer kontrollierbaren Deformationen typischerweise verschlechtert, wodurch sich der Blow-by, der Ölverbrauch und auch die Reibung erhöhen können.
  • Um Probleme aufgrund von Verzügen bei der Montage oder in bestimmten Betriebszuständen zu verringern, wurde beispielsweise in der DE 28 10 322 C2 vorgeschlagen, den Motorblock für die Honbearbeitung mit Hilfe einer Spanneinrichtung derart zu deformieren, dass die spätere Deformation durch den Zylinderkopf simuliert wird. In dem verspannten Zustand, der dem später nach der Montage vorliegenden Zustand entspricht, findet die Honbearbeitung zur Erzeugung einer kreiszylindrischen Bohrungsform statt, die sich dann auch nach der Montage wieder einstellen sollte.
  • Eine andere Technologie, welche durch eine Invertierung der Zylinderverzüge (Erzeugung einer Negativform des Fehlers) bei der Bearbeitung die Entstehung einer Idealform nach der Montage oder im Betriebszustand des Motors gewährleisten oder annähern soll, ist das sogenannte Formhonen. Dabei wird am unverspannten Werkstück mittels Honen eine von der Kreiszylinderform definiert abweichende Bohrungsform erzeugt, z.B. eine Kleeblattform. Solche Bohrungsformen sind in der Regel unsymmetrisch, weil auch die Deformationen der Zylinderblocks in der Regel nicht symmetrisch sind. Im Betriebszustand soll sich dabei eine möglichst ideale Kreiszylinderform ergeben, so dass das Kolbenringpaket über den gesamten Bohrungsumfang gut abdichten kann. Verschiedene Varianten des Formhonens werden beispielsweise in der EP 1 790 435 B1 und in dem darin genannten Stand der Technik beschrieben.
  • Die EP 1 321 229 A1 , die die Basis für die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 6 bildet, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Bohrung, die im unbelasteten Zustand eine Ausgangsform aufweist und im Betriebszustand eine von der Ausgangsform abweichende Sollform. Bei dem Verfahren wird die Verformung einer Bohrung zur Sollform im Betriebszustand ermittelt, mittels der Sollform und der Verformung wird die Ausgangsform ermittelt und die Bohrung wird mit einem Bearbeitungsverfahren in die Ausgangsform gebracht. Bei dem Ausführungsbespiel ist die Ausgangsform der Bohrung in einem oberen Bereich weitgehen zylindrisch und in einem unteren Bereich elliptisch. Die beiden Bereiche gehen in einen mittleren Übergangsbereich ineinander über. Zur Bearbeitung kommt eine Honmaschine zum Einsatz die ein bis vier Honsteine hat. Da sich die Bohrungsgeometrie im mittleren Bereich zwischen dem zylindrischen und dem elliptischen Bereich kontinuierlich ändert, kommen Honsteine mit sehr geringer axialer Streckung zum Einsatz.
  • Die internationale Patentanmeldung mit Veröffentlichungsnummer WO 01/76817 A1 offenbart ein hydraulisch aufweitbares Honwerkzeug mit einer ringförmigen Schneidgruppe am spindelabgewandten Ende des Honwerkzeugs. Die Schneidbeläge sind am Ende von nach außen aufspreizbaren Zungen angebracht, die einstückig mit dem Werkzeugkörper ausgebildet sind. Die Zungen werden bei der Zustellung zur Vergrößerung des wirksamen Außendurchmessers nach außen aufgespreizt.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 16 52 074 A1 offenbart ein Honwerkzeug mit einer Schneidgruppe, die aus zwei diametral gegenüberliegend angeordneten Honsegmenten mit außenliegenden Rippen besteht, auf denen der Schneidbelag sitzt.
    • AUFGABE UND LÖSUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Honverfahren und ein bei seiner Durchführung verwendbares Honwerkzeug bereitzustellen, die es erlauben, Hubkolbenmaschinen herzustellen, die verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Reibungsverlusten, Ölverbrauch und Blow-by haben.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Honverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird ein Honwerkzeug mit den Merkmalen von Anspruch 6 bereitgestellt, welches im Rahmen des Honverfahrens verwendet werden kann.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
  • Bei dem Honverfahren wird eine flaschenförmige Bohrung, d.h. eine Bohrung mit einer Flaschenform, erzeugt. Eine "flaschenförmige Bohrung" hat direkt anschließend an einen Bohrungseintritt einen ersten Bohrungsabschnitt mit einem ersten Durchmesser, entfernt von dem Bohrungseintritt einen zweiten Bohrungsabschnitt mit einem zweiten Durchmesser, der größer als der erste Durchmesser ist, und zwischen dem ersten und dem zweiten Bohrungsabschnitt einen Übergangsabschnitt mit einem kontinuierlichen Übergang vom ersten Durchmesser zum zweiten Durchmesser. Der erste Bohrungsabschnitt und der zweite Bohrungsabschnitt haben in der Regel kreiszylindrische Grundform und liegen koaxial zueinander. Der Übergangsabschnitt kann teilweise konisch ausgebildet sein und an seinen den äußeren Bohrungsabschnitten zugewandten Enden jeweils mit geeigneten Radien in die benachbarten Bohrungsabschnitte übergehen.
  • Bei geeigneter Auslegung der flaschenförmigen Makroform können wesentliche Vorteile bezüglich Reibungsreduzierung, reduziertem Blow-by sowie reduziertem Ölverbrauch erzielt werden. Weiterhin können sich Verbesserungen bei der Verschleißbeständigkeit des Kolbenringpakets und positive Einflüsse auf die Geräuschentwicklung während des Betriebs ergeben. Im relativ engeren ersten Bohrungsabschnitt nahe dem Bohrungseintritt, also im "Flaschenhals", findet in einer Brennkraftmaschine ein wesentlicher Teil der Verbrennung statt. Ein eventuelles hohes Ölangebot in diesem Abschnitt könnte zu Emissions- und Ölverbrauchproblemen führen. In diesem engeren ersten Bohrungsabschnitt kann das Ringpaket der Kolbenringe seine konventionellen Funktionen (insbesondere die Abdichtung gegen Verbrennungsgase sowie das Abstreifen des Ölfilms in der Rückwärtsbewegung) aufgrund relativ hoher Ringspannung gut erfüllen. Durch die Druckwellen der Verbrennung beschleunigt sich der Kolben im ersten Bohrungsabschnitt und erreicht den Übergangsabschnitt mit sich allmählich vergrößerndem Durchmesser. Im Übergangsabschnitt wird die Kolbenringspannung durch die Vergrößerung des Durchmessers reduziert. Da hier jedoch bereits eine erhebliche Kolbengeschwindigkeit vorliegt und der Innendruck im Zylinderraum nachlässt, werden Blow-by, Ölverbrauchswert und Motorgeräuschemission nicht nachteilig beeinflusst. Durch geeignete Radien zwischen dem Übergangsabschnitt und den daran angrenzenden ersten und zweiten Bohrungsabschnitten kann ein sanfter Einlauf und Auslauf der Kolbenringe am Übergangsabschnitt erreicht werden, so dass Ringverschleiß oder Motorfresser vermieden werden können. In der Abwärtsbewegung erreicht das Ringpaket nach Durchlaufen des Übergangsabschnitts beim Eintritt in den zweiten Bohrungsabschnitt seine niedrigste Spannung, so dass dort, wo der Kolben seine maximale Geschwindigkeit erreicht, der Reibungsverlust automatisch reduziert wird.
  • Im Rahmen des Honverfahrens, welches zu einer flaschenförmigen Bohrung mit einsatzoptimaler Oberflächenstruktur führt, wird bei mindestens einer Honoperation ein für diesen Zweck besonders taugliches Honwerkzeug verwendet, welches hier aufgrund seiner Konstruktion auch als "Ringwerkzeug" bezeichnet wird. Ein "Ringwerkzeug" im Sinne dieser Anmeldung hat mindestens eine ringförmige Schneidgruppe mit drei oder mehr um den Umfang des Werkzeugkörpers des Honwerkzeugs verteilten, radial zustellbaren Schneidstoffkörpern, die als in Umfangsrichtung des Honwerkzeugs relativ breite und in Axialrichtung des Honwerkzeuges relativ schmale Honsegmente gestaltet sind. Die in Axialrichtung des Honwerkzeugs gemessene axiale Länge der Honsegmente ist dabei kleiner als die in Umfangsrichtung gemessene Breite und die axiale Länge des mit Schneidstoffkörpern ausgestatteten Schneidbereichs ist kleiner als der wirksame Außendurchmesser des Honwerkzeugs.
  • Wenn mindestens drei Honsegmente vorgesehen sind, so können die Bearbeitungskräfte über den gesamten durch radiale Zustellung verfügbaren wirksamen Außendurchmesserbereich des Honwerkzeugs gut und relativ gleichmäßig über den Umfang verteilt werden. Es können z.B. in einer Schneidgruppe genau drei, genau vier, genau fünf oder genau sechs Honsegmente gleicher oder unterschiedlicher Umfangsbreite vorgesehen sein. Mehr als sechs Honsegmente innerhalb einer Schneidgruppe sind zwar möglich, machen die Konstruktion aber komplizierter und sind in der Regel nicht erforderlich.
  • Durch die radiale Zustellbarkeit (Verschiebung der Honsegmente in Radialrichtung bei der Zustellung) kann erreicht werden, dass die Eingriffsbedingungen zwischen Schneidstoffkörper und Bohrungsinnenfläche unabhängig vom eingestellten Durchmesser praktisch konstant bleiben. Durch Vermeidung von Schneidstoffkörper-Verkippung während der radialen Zustellung kann ungleichmäßiger Verschleiß vermieden werden.
  • Diese Maßnahmen können sich einzeln und in Kombination positiv auf die erzielbare Oberflächenqualität auswirken, insbesondere bezüglich der Gleichmäßigkeit der Oberflächenqualität über unterschiedliche Bohrungsabschnitte.
  • Die axiale Länge der Honsegmente kann z.B. bei weniger als 30% des wirksamen Außendurchmessers des Honwerkzeugs liegen, insbesondere zwischen 10% und 20% dieses Außendurchmessers. Bei Ringwerkzeugen für die Bearbeitung typischer Zylinderbohrungen in Motorblöcken für PKW oder LKW kann die axiale Länge z.B. im Bereich von 5 mm bis 20 mm liegen. Bezogen auf die Bohrungslänge einer zu bearbeitenden Bohrung liegt die axiale Länge typischerweise bei weniger als 10% dieser Bohrungslänge. Werden die oberen Grenzen deutlich überschritten, so leidet in der Regel die Möglichkeit zur axialen Konturverfolgung bzw. Konturerzeugung. Außerdem sind geringe axiale Längen vorteilhaft, um einen ausreichenden Flächendruck für die Bearbeitung zu erzeugen. Andererseits ist eine Mindestlänge in Axialrichtung vorteilhaft, um zur Bearbeitung der Bohrungsenden einen Honüberlauf zu ermöglichen und um eine Kippneigung des Honwerkzeugs zu begrenzen.
  • Ein derartiges Ringwerkzeug stellt eine Abkehr von konventionellen Konzepten der Honwerkzeugauslegung dar, welche davon ausgehen, dass zur Erzielung geringer Formfehler einer gehonten Bohrung Honwerkzeuge mit in Axialrichtung relativ langen, in Umfangsrichtung dagegen relativ schmalen Honleisten verwendet werden sollten. Ein Ringwerkzeug ist besonders gut an die Bearbeitung von flaschenförmigen Bohrungsformen bzw. allgemein von Bohrungsformen mit in Axialrichtung signifikant variierendem Bohrungsdurchmesser angepasst. In einer ringförmigen Schneidgruppe ist der Schneidstoff (gebundene Schneidkörner geeigneter Körnung, Dichte und Härte) in einem axial relativ schmalen Ring konzentriert, wobei typischerweise mehr als die Hälfte des Umfangs einer ringförmigen Schneidgruppe mit Schneidmittel besetzt ist und dementsprechend wirksam zum Materialabtrag beiträgt.
  • Der Schneidbereich, in dem eine oder mehrere ringförmige Schneidgruppen liegen, ist im Vergleich zum wirksamen Außendurchmesser des Honwerkzeugs in Axialrichtung kurz bzw. schmal, wodurch die Erzeugung und/oder Verfolgung einer in Axialrichtung verlaufenden Kontur möglich wird.
  • Eine ringförmige Schneidgruppe zeichnet sich im Vergleich zu konventionellen Honleisten dadurch aus, dass in dem von der ringförmigen Schneidgruppe abgedeckten axialen Abschnitt wesentlich mehr Kontaktfläche zwischen Schneidstoffkörpern und Bohrungsinnenfläche existiert als in einem vergleichbar schmalen axialen Abschnitt eines konventionellen Honwerkzeugs. Bei manchen Ausführungsformen sind an einer ringförmigen Schneidgruppe mehr als 60% des Umfangs mit Schneidmittel belegt, eventuell sogar mehr als 70% oder mehr als 80% des Umfangs des Honwerkzeugs.
  • Vorzugsweise ist eine Schneidgruppe derart in der Nähe eines spindelabgewandten Endes des Werkzeugkörpers angeordnet, dass sich die Schneidgruppe ausschließlich in der spindelabgewandten Hälfte des Werkzeugkörpers befindet. Wenn mehrere ringförmige Schneidgruppen vorgesehen sind, kann diese Bedingung für alle Schneidgruppen gelten. Eine Anordnung nahe am spindelfernen Ende ermöglicht u.a. Bearbetungen mit sehr geringem Honüberlauf.
  • Bei der Honbearbeitung kann die Hubposition des Honwerkzeugs innerhalb der Bohrung als Leitgröße genutzt werden, um mit hoher örtlicher Auflösung den Anpressdruck bzw. die Zustellkraft als Funktion der Hubposition der ringförmigen Schneidgruppe vorzugeben. Dadurch ist es möglich, mit Hilfe einer zustellbaren ringförmigen Schneidgruppe eine Bohrung mit axial veränderlicher Kontur zu erzeugen oder auch einer bereits vorher erzeugten axial variierenden Kontur ohne unerwünschte Andruckkraftspitzen zu folgen. Bei Verwendung eines Ringwerkzeugs kann in allen axialen Bereichen der Bohrung mit im Wesentlichen gleicher Überdeckung gearbeitet werden, so dass bei Bedarf sehr gleichmäßige Rauhigkeitsbilder bzw. Oberflächenstrukturen erzeugt werden können. Bei Verwendung eines Ringwerkzeugs kann gegebenenfalls auch mit sehr geringem Honüberlauf an den axialen Enden einer Bohrung gearbeitet werden, ohne dass Probleme mit ungleichmäßigem Schneidkörperverschleiß auftreten.
  • Vorzugsweise wird mit einem elektromechanischen Schneidgruppen-Zustellsystem gearbeitet. Im Gegensatz zu einer hydraulischen Aufweitung ist dadurch eine präzise Vorgabe des Zustellwegs (Wegsteuerung) möglich, wodurch eine axiale Kontur gezielt erzeugt und/oder eine vorgegebene axiale Kontur präzise verfolgt werden kann.
  • An dem Honwerkzeug können ein oder mehrere Sensoren eines Durchmessermesssystems angeordnet sein, so dass eine in-prozess-Durchmessermessung möglich ist. Beispielsweise können zwischen benachbarten Honsegmenten am Werkzeugkörper jeweils Messdüsen eines pneumatischen Durchmessermesssystems angebracht sein. Hierdurch kann die Präzision der erzielbaren Bohrungskonturen verbessert werden.
  • Durch Verwendung eines Ringwerkzeugs sind ein gleichmäßiger Verschleiß der Schneidstoffkörper und sehr gute Formwerte sowie gleichmäßige Oberflächenrauheiten der Bohrung über die gesamte Standzeit der ringförmigen Schneidgruppe gewährleistet.
  • Es sind unterschiedliche Ausgestaltungen von Ringwerkzeugen möglich, zwischen denen ein Nutzer in Abhängigkeit von der zu bewältigenden Bearbeitungsaufgabe auswählen kann.
  • Bei manchen Ausführungsformen hat das Ringwerkzeug eine einzige ringförmige Schneidgruppe, deren Honsegmente über ein einziges gemeinsames Zustellsystem radial zugestellt bzw. zurückgezogen werden können. Typischerweise hat die ringförmige Schneidgruppe drei oder mehr gleichmäßig oder ungleichmäßige über den Umfang des Honwerkzeugs verteilte Honsegmente, in der Regel nicht mehr als sechs. Vorzugsweise ist die einzige ringförmige Schneidgruppe in der Nähe des spindelabgewandten freien Endes des Werkzeugkörpers angeordnet, z.B. bündig mit der spindelabgewandten Stirnseite. Derartige Konstruktionen sind besonders gut für die Bearbeitung von Zylinderbohrungen mit reduziertem Honüberlauf geeignet. Derartige Einschränkungen bei der Bearbeitung ergeben sich beispielsweise bei Sacklochbohrungen oder bei Zylinderbohrungen in Motorblöcken für Monoblock- oder V-Motoren.
  • Es ist auch möglich, dass eine ringförmige Schneidgruppe zwei unabhängig voneinander zustellbare Gruppen von Honsegmenten aufweist, wobei die Honsegmente der Gruppen in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, die Vorteile einer einzigen ringförmigen Schneidgruppe (beispielsweise hinsichtlich der Bearbeitung von Bohrungen mit kurzem Honüberlauf) mit den Vorteilen einer Doppelzustellung zweier voneinander unabhängiger Gruppen von Honsegmenten zu kombinieren. Mit einem derartigen Werkzeug können zwei aufeinanderfolgende Honoperationen mit unterschiedlichen Schneidstoffen ohne zwischengeschalteten Werkzeugwechsel durchgeführt werden. Die Honsegmente einer Gruppe von Honsegmenten haben normalerweise den gleichen Schneidbelag, während die Gruppen untereinander unterschiedliche Schneidbeläge haben, beispielsweise Diamantbeläge unterschiedlicher Körnung.
  • Es ist auch möglich, dass ein Ringwerkzeug eine erste ringförmige Schnedgruppe und mindestens eine zweite ringförmige Schneidgruppe aufweist, die axial versetzt zur ersten ringförmigen Schneidgruppe angeordnet ist und unabhängig von der ersten ringförmigen Schneidgruppe zugestellt werden kann. Auch hierdurch sind zwei aufeinanderfolgende Honoperationen mit unterschiedlichen Schneidstoffen ohne zwischengeschalteten Werkzeugwechsel möglich. Da die unterschiedlichen Schneidstoffe auf die mindestens zwei axial gegeneinander versetzt liegenden ringförmigen Schneidgruppen verteilt sind, die jeweils einen großen Teil des Umfangs des Honwerkzeugs abdecken können, sind hier in beiden Honoperationen besonders hohe Abtragsleistungen bzw. relativ kurze Honzeiten möglich. Derartige Ringwerkzeuge können für alle Bohrungen eingesetzt werden, die genügend Honüberlauf erlauben. Mit zwei oder mehr ringförmigen Schneidgruppen ist auch eine Überbrückung von Pulsationsfenstern oder Querbohrungen bzw. Bohrungsunterbrechungen jeglicher Art besonders einfach möglich. Ein solches Ringwerkzeug hat vorzugsweise genau zwei ringförmige Schneidgruppen, wodurch trotz einfachem Aufbau ein flexibler Einsatz möglich ist.
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen ist am Werkzeugkörper ein integriertes, mehrachsig bewegliches Gelenk, z.B. ein Kugelgelenk oder ein kardanisches Gelenk, vorgesehen. So können Positionsfehler der Maschine und/oder ein Kernversatz der Bohrung ausgeglichen werden, ohne die Bohrungsposition zu verändern. Ausführungsbeispiele ohne Gelenk sind auch möglich. Derartige Ringwerkzeuge können starr an eine Honspindel oder eine starr mit der Honspindel gekoppelte Antriebsstange angekoppelt werden.
  • Die Flaschenform der Bohrung kann durch jedes geeignete spanabhebende Bearbeitungsverfahren erzeugt werden, beispielsweise durch Feindrehen (Feinspindeln), also mit Hilfe eines Bearbeitungsverfahrens mit geometrisch bestimmter Schneide, oder durch Honen. Daran können sich eine oder mehrere Honoperationen anschließen, um zur endgültig gewünschten Bohrungsgeometrie mit geeigneter Oberflächenstruktur zu gelangen.
  • Vorzugsweise wird zunächst durch Feindrehen oder Honen eine Bohrung mit kreiszylindrischer Bohrungsform erzeugt und danach wird in einer Flaschenhonoperation durch Honen mit axial variierendem Honabtrag eine flaschenförmige Bohrungsform erzeugt. Im Vergleich zum Feindrehen können durch Honen Oberflächen mit besonders gleichmäßiger Oberflächenqualität ohne umlaufende Spuren erzeugt werden. Zur Gleichmäßigkeit der Oberflächenqualität trägt auch der Selbstschärfungseffekt der Schneidstoffkörper bei. Beim Honen ist eine kontinuierliche Prozessüberwachung möglich.
  • Bei einer Verfahrensvariante wird bei der Flaschenhonoperation ein aufweitbares Honwerkzeug mit mindestens einer ringförmigen Schneidgruppe verwendet, also ein Ringwerkzeug. Dabei werden Honsegmente der Schneidgruppe in einem Abwärtshub entsprechend der Flaschenform in Abhängigkeit von Hubposition, weg- und/oder kraftgesteuert radial nach außen zugestellt und bei einem Aufwärtshub entsprechend der Flaschenform in Abhängigkeit von der Hubposition radial zurückgezogen. Durch diese Bearbeitungsvariante ergibt sich im besonders schwierig zu bearbeitenden Übergangsabschnitt von Anfang an ein relativ glatter Konturverlauf.
  • Alternativ ist es auch möglich, dass bei der Flaschenhonoperation ein aufweitbares Honwerkzeug mit Honleisten verwendet wird, deren Länge mehr als 50% der Länge der Bohrung beträgt. Die Länge der Honleisten kann beispielsweise zwischen 50% und 80% der Länge der Bohrung betragen. Bei der Flaschenhonoperation wird dann in einer ersten Phase das Honwerkzeug in einer ersten Hublage zwischen einem oberen und einem unteren Umsteuerpunkt auf und ab bzw. hin- und her bewegt, um die Bohrung zunächst auf ihrer gesamten Länge in eine kreiszylindrische Form zu bringen. Danach wird in einer zweiten Phase der obere Umsteuerpunkt inkrementell, d.h. über mehrere Hübe hinweg, in Richtung des unteren Umsteuerpunkts verändert, so dass sich die Hublänge allmählich reduziert. Dadurch ergibt sich eine Verlagerung der Hublage in Richtung einer zweiten Hublage, die im Bereich des zweiten Bohrungsabschnitts liegt. Danach wird in einer dritten Phase das Honwerkzeug in der zweiten Hublage hin- und her bewegt. Bei dieser Verfahrensvariante entsteht die Grundform des Übergangsabschnitts im Wesentlichen während der zweiten Phase der allmählichen Hublagenverlagerung und Hubhöhenreduzierung, wobei gleichzeitig und auch in der dritten Phase noch die Durchmesservergrößerung im zweiten Bohrungsabschnitt erzeugt wird.
  • Wenn die Flaschenhonoperation mittels eines Honwerkzeugs mit relativ langen Honleisten durchgeführt wird, kann im Übergangsabschnitt eine relativ raue Oberflächenstruktur mit einem Profil ähnlich einem Sägeprofil entstehen. Um die erwünschte gleichmäßige Oberflächenstruktur auch im Übergangsabschnitt zu erhalten, wird daher vorzugsweise nach der Flaschenhonoperation eine Glatthonoperation zur Glättung des Bohrungsprofils im Übergangsbereich durchgeführt, wobei bei der Glättungshonoperation ein Ringwerkzeug verwendet wird, also ein aufweitbares Honwerkzeug mit mindestens einer ringförmigen Schneidgruppe. Mit Hilfe des Ringwerkzeugs können Rillen oder Grate im Übergangsabschnitt beseitigt und die Radien des Übergangsabschnitts verrundet werden.
  • Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn bei der Glättungshonoperation die Schneidstoffkörper der ringförmigen Schneidgruppe mit konstanter Zustellkraft an die Innenfläche der Bohrung gedrückt werden. Dies wird bei manchen Verfahrensvarianten dadurch erreicht, dass eine Honmaschine mit einem hydraulischen Zustellsystem für das Ringwerkzeug verwendet wird. Die Verfolgung der Kontur der flaschenförmigen Bohrung durch die Honsegmente des Ringwerkzeugs kann sich dabei schon aus der bauartbedingten Nachgiebigkeit der hydraulischen Aufweitung ergeben.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Honwerkzeug, welches besonders zur Durchführung des Honverfahrens geeignet ist, aber auch bei anderen, nicht erfindungsgemäßen Honverfahren verwendet werden kann.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Werkstück mit mindestens einer Bohrung, die eine gehonte Innenfläche aufweist, wobei die Bohrung eine flaschenförmige Bohrung ist, die anschließend an einen Bohrungseintritt einen ersten Bohrungsabschnitt mit einem ersten Durchmesser, entfernt von dem Bohrungseintritt einen zweiten Bohrungsabschnitt mit einem zweiten Durchmesser, der größer als der erste Durchmesser ist, und zwischen dem ersten und dem zweiten Bohrungsabschnitt einen Übergangsabschnitt mit einem kontinuierlichen Übergang vom ersten zum zweiten Durchmesser aufweist, wobei das Werkstück unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs bearbeitet wurde.
  • Insbesondere kann es sich bei dem Werkstück um einen Zylinderblock oder eine Zylinderlaufbuchse für eine Hubkolbenmaschine handeln. Bei der Hubkolbenmaschine kann es sich z.B. um eine Brennkraftmaschine (Verbrennungsmotor) oder um einen Kompressor handeln.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine flaschenförmige Zylinderbohrung in einem Motorblock;
    • Fig. 2 zeigt in 2A einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines Ringwerkzeugs mit einfacher Aufweitung einer einzigen ringförmigen Schneidgruppe sowie in 2B einen Querschnitt durch die Schneidgruppe;
    • Fig. 3 zeigt in 3A einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines Ringwerkzeugs mit doppelter Aufweitung einer einzigen ringförmigen Schneidgruppe sowie in 3B einen Querschnitt durch die Schneidgruppe;
    • Fig. 4 zeigt in 4A einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines Ringwerkzeugs mit doppelter Aufweitung bei zwei übereinander angeordneten ringförmigen Schneidgruppen sowie in 4B einen Querschnitt durch eine der Schneidgruppen;
    • Fig. 5 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Bohrung, die mittels eines Honwerkzeugs mit relativ langen Honleisten bearbeitet wird;
    • Fig. 6 zeigt schematisch die Hubposition eines Honwerkzeugs mit langen Honleisten als Funktion der Honzeit t bei der Flaschenhonoperation.
    • Fig. 7 zeigt ein Messdiagramm eines abgerundeten Profils eines flaschenförmigen Zylinders nach dem Einsatz eines Ringwerkzeuges.
    • Fig. 8 zeigt ein schematisches Diagramm, welches die Abhängigkeit der Hubposition HP (durchgezogene Linie) und der Aufweitposition AP (gestrichelte Linie) als Funktion der Honzeit t bei einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
    DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele von Honverfahren und Honwerkzeugen beschrieben, die im Rahmen von Ausführungsformen der Erfindung beider materialabtragenden Bearbeitung von Werkstücken verwendet werden können, die eine oder mehrere Bohrungen aufweisen, welche im fertig bearbeiteten Zustand die Makroform einer Flasche haben sollen.
  • Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine solche flaschenförmige Bohrung 110 in einem Werkstück 100 in Form eines Motorblocks (Zylinderkurbelgehäuses) für eine Brennkraftmaschine. Die Bohrung ist in Bezug auf ihre Bohrungsachse 112 rotationssymmetrisch und erstreckt sich über eine Bohrungslänge L von einem im Einbauzustand dem Zylinderkopf zugewandten Bohrungseintritt 114 bis zum Bohrungsaustritt 116 an gegenüberliegenden Ende. Die Bohrung kann in drei aneinander angrenzende Abschnitte unterschiedlicher Funktion unterteilt werden, die gleitend, d.h. ohne Bildung von Stufen oder Kanten, ineinander übergehen.
  • Ein erster Bohrungsabschnitt 120 am eintrittsseitigen Ende hat einen ersten Durchmesser D1 und eine erste Länge L1. Am gegenüberliegenden austrittsseitigen Ende erstreckt sich über eine zweite Länge L2 ein zweiter Bohrungsabschnitt 130, dessen Innendurchmesser (zweiter Durchmesser) D2 größer als der erste Durchmesser D1 ist. Zwischen dem ersten Bohrungsabschnitt 120 und dem zweiten Bohrungsabschnitt 130 befindet sich ein teilweise konischer Übergangsabschnitt 140, in dem ein kontinuierlicher Übergang vom ersten Durchmesser zum zweiten Durchmesser erfolgt. Zwischen dem mittleren, im Wesentlichen konischen Teil des Übergangsabschnitts und dem ersten Bohrungsabschnitt wird ein erster Radius R1 gebildet, während zwischen dem Übergangsabschnitt und dem zweiten Bohrungsabschnitt ein zweiter Radius R2 gebildet wird. Die Radien R1 und R2 können im Wesentlichen gleich sein, es ist jedoch auch möglich, dass der erste Radius kleiner oder größer als der zweite Radius ist.
  • Bei typischen Bohrungsgeometrien kann die erste Länge L1 beispielsweise zwischen 15% und 40% der Bohrungslänge L betragen. Die zweite Länge L2 ist typischerweise größer als die erste Länge und liegt häufig zwischen 40% und 60% der Bohrungslänge L. Der Übergangsabschnitt ist gegenüber den daran angrenzenden Bohrungsabschnitten normalerweise relativ kurz. Typische dritte Längen L3 können im Bereich von 5% bis 20% der Bohrungslänge L liegen. Auch Abweichungen von diesen geometrischen Verhältnissen sind möglich.
  • Der Durchmesserunterschied zwischen dem ersten Durchmesser D1 und dem zweiten Durchmesser D2 liegt deutlich außerhalb der für die Honbearbeitung typischen Toleranzen, die für eine Zylinderform in der Größenordnung von maximal 10 µm (bezogen auf den Durchmesser) liegen. Bei einem Absolutwert des Innendurchmessers in der Größenordnung zwischen 70 mm und 150 mm kann der Durchmesserunterschied beispielsweise zwischen 20 µm und 90 µm liegen.
  • Die Radien R1, R2, die Längen der äußeren Bohrungsabschnitte und des Übergangsabschnitts und der Tangentenwinkel T zwischen der Bohrungsachse und einer Tangente an den Übergangsabschnitt können so optimiert sein, dass sich in typischen Betriebszuständen des Motors geringer Blow-by, geringer Ölverbrauch und geringer Verschleiß der Kolbenringe ergeben.
  • Die Flaschenform der Bohrung führt dazu, dass die Bohrung im eintrittsnahen Bereich vergleichsweise eng ist, so dass die Kolbenringe des in der Bohrung laufenden Kolbens unter hoher Ringspannung an die Bohrungsinnenfläche 118 gedrückt werden. Dadurch wird dort, wo die Verbrennung hauptsächlich erfolgt und hohe Drücke auftreten, eine zuverlässige Abdichtung erreicht und der Ölfilm wird im Abwärtshub abgestreift. Der durch die Verbrennung beschleunigte Kolben bewegt sich dann Richtung Bohrungsaustritt, wobei die Kolbenringe zunächst den Übergangsabschnitt mit dem sich kontinuierlich erweiterten Innendurchmesser und anschließend den zweiten Bohrungsabschnitt (teilweise) durchlaufen. Im Übergangsabschnitt können sich die Kolbenringe allmählich entspannen, wobei die Abdichtung ausreichend bleibt, weil die Druckdifferenz an den Kolbenringen sinkt. Zu Beginn des zweiten Bohrungsabschnitts erreicht das Ringpaket seine niedrigste Spannung, so dass gerade im Bereich maximale Kolbengeschwindigkeit Reibungsverluste durch verringerte Ringspannung reduziert werden. Beim Aufwärtshub nimmt die Ringspannung dann wieder zu, sobald die Kolbenringe den austrittsseitigen Radius des Übergangsabschnitts erreichen und diesen in Richtung des ersten Bohrungsabschnitts durchlaufen.
  • Ein Feinbearbeitungsprozess, der eine solche Bohrung sowohl hinsichtlich der Makroform (Flaschenform) als auch hinsichtlich der Oberflächenstruktur der tribologisch beanspruchten Bohrungsinnenfläche in hoher Qualität wirtschaftlich erzeugen kann, umfasst bei Ausführungsformen der Erfindung mindestens eine Honoperation, bei welcher ein Honwerkzeug besonderer Konstruktion verwendet wird, welches in dieser Anmeldung auch als "Ringwerkzeug" bezeichnet wird. Ein Ringwerkzeug hat mindestens eine ringförmig am Werkzeugkörper angebrachte Schneidgruppe mit um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern, die mittels eines zugeordneten Zustellsystems in Radialrichtung zugestellt beziehungsweise zurückgezogen werden können. Die Schneidstoffkörper sind als Honsegmente gestaltet, deren Breite in Umfangsrichtung deutlich größer ist als ihre Länge in Axialrichtung. Die für den Materialabtrag an Werkstück zuständigen Schneidstoffkörper sind in einer axial relativ schmalen Zone (einem Ring der Schneidgruppe) konzentriert und nehmen einen relativ großen Anteil des Umfangs des Honwerkzeugs ein. Dadurch können mit relativ hoher Materialabtragsleistung Bohrungsformen erzeugt werden, bei denen in Axialrichtung Bohrungsabschnitte unterschiedlicher Durchmesser aneinander angrenzen.
  • Fig. 2 zeigt in 2A einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines Ringwerkzeugs 200 mit einer einzigen ringförmigen Schneidgruppe 220 und einfacher Aufweitung. Fig. 2B zeigt einen Querschnitt durch die Schneidguppe Das Ringwerkzeug 200 hat einen Werkzeugkörper 210, der eine Werkzeugachse 212 definiert, die gleichzeitig die Rotationsachse des Ringwerkzeugs während der Honbearbeitung ist. Am spindelseitigen Ende des Ringwerkzeuges (in Fig. 2A oben) befindet sich eine nicht näher dargestellte Kupplungsstruktur zum Ankoppeln des Ringwerkzeuges an eine Antriebsstange einer Honmaschine oder einer anderen Bearbeitungsmaschine, welche eine Arbeitsspindel hat, die sowohl um die Spindelachse drehbar als auch parallel zur Spindelachse oszillierend hin- und her bewegbar ist.
  • Am spindelabgewandten Ende des Werkzeugkörpers (in Fig. 2A unten) befindet sich die ringförmige Schneidgruppe 220, die mehrere (im Beispielsfall drei) gleichmäßig über den Umfang des Werkzeugkörpers verteilte Schneidstoffkörper 220-1, 220-2, 220-3 aufweist, welche mithilfe eines Schneidstoffkörper-Zustellsystems radial zur Werkzeugachse 212 nach außen zugestellt werden können, um die abrasiv wirkenden Außenseiten des Schneidstoffköpers mit einer definierten Andrückkraft bzw. Anpresskraft an die Innenfläche einer zu bearbeitenden Bohrung anzudrücken. Jeder der drei bogenförmig gekrümmten Schneidstoffkörper ist als ein in Umfangsrichtung sehr breites, in Axialrichtung dagegen schmales Honsegment gestaltet, welches ein Umfangswinkelbereich zwischen 115° und 120° abdeckt. Die Honsegmente sind vom Werkzeugkörper entkoppelt und relativ zu diesem radial zur Werkzeugachse 212 verschiebbar. Der durch die Honsegmente gebildete Ring schließt am spindelabgewandten Seite bündig mit dem Werkzeugkörper ab, so dass der Ring vollständig innerhalb der spindelabgewandten Hälfte des Werkzeugkörpers am spindelabgewandten Ende des Ringwerkzeugs sitzt.
  • Die axiale Länge LHS der Honsegmente liegt bei weniger 15%, insbesondere bei weniger als 10% der Bohrungslänge L. Die Honsegmente sind ca. 4 mm bis 35 mm, insbesondere ca. 10 mm hoch (in Axialrichtung), was im Beispielsfall zwischen 5% und 30%, insbesonder zwischen 10% und 20% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe entspricht. Die axiale Länge LHS entspricht hier gleichzeitig der axialen Länge des gesamten Schneidbereichs des Honwerkzeugs.
  • Jeder Schneidstoffkörper ist an einer Außenseite einer zugeordneten Tragleiste 224-1, 224-2 aus Stahl durch Löten befestigt. Alternativ kann der Schneidstoffkörper auch durch Kleben oder mittels Schrauben befestigt werden, wodurch eine leichtere Auswechslung möglich ist. Jede Tragleiste hat an ihrer Innenseite eine Schrägfläche, die mit einer konischen Außenfläche eines axial verschiebbaren Zustellkonus 232 in der Weise zusammenwirkt, dass die Tragleisten mit den davon getragenen Schneidstoffkörpern nach radial außen zugestellt werden, wenn der Zustellkonus mittels einer maschinenseitigen Zustellvorrichtung gegen die Kraft von Rückholfedern 234, 226, 228 in Richtung des spindelabgewandten Endes des Ringwerkzeugs gedrückt wird. Bei entgegengesetzter Zustellbewegung werden die Tragleisten mit den Honsegmenten mit Hilfe umlaufender Rückholfedern 226, 228 nach radial innen zurückgeholt. Die radiale Position der Schneidstoffkörper wird dadurch spielfrei über die axiale Position des Zustellkonus 232 gesteuert.
  • Dieses Werkzeugkonzept ist besonders geeignet für die Bearbeitung von Zylinderbohrungen mit reduziertem Honüberlauf, beispielsweise mit maximal 5 mm Honüberlauf. Derartige Geometrien treten typischerweise bei Sacklochbohrungen oder im Monoblock - oder V-Motoren auf.
  • In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Ringwerkzeugs 300 gezeigt, welches ebenfalls eine einzige ringförmige Schneidgruppe 320 aufweist, die am spindelabgewandten, stirnseitigen Ende des Werkzeugkörpers 310 angeordnet ist. Fig. 3A zeigt einen Längsschnitt durch das Ringwerkzeug, Fig. 3B einen Querschnitt durch die Schneidgruppe. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel von Fig. 2 handelt es sich aber um Honwerkzeug mit Doppelaufweitung. Die ringförmige Schneidgruppe 320 hat zwei unabhängig voneinander zustellbare Gruppen von Honsegmenten, wobei die Honsegmente der Gruppen jeweils in Umfangsrichtung abwechselnd zueinander angeordnet sind. Eine erste Gruppe von Honsegmenten hat drei um jeweils 120° umfangsversetzt zueinander angeordnete erste Honsegmente 320-1. Jeweils dazwischen sind drei zweite Honsegmente 320-2 einer zweiten Gruppe von Honsegmenten angeordnet. Die erste Gruppe hat Schneidstoffkörper mit einem relativ groben Schneidbelag, während die zweite Gruppe Schneidstoffkörper mit einem relativ dazu feineren Schneidbelag aufweist. Zwischen unmittelbar benachbarten Honsegmenten sind jeweils axiale Führungsleisten 326 angeordnet. Zwischen dem Werkeugkörper 310 und der zur Ankopplung des Honwerkzeugs an eine Arbeitsspindel o.dgl vorgesehenen Kupplungsstruktur 340 ist ein Kugelgelenk 350 vorgesehen, so dass das Honwerkzeug gegenüber der Honspindel in mehreren Achsen begrenzt beweglich ist.
  • Die ersten Honsegmente können mit Hilfe eines ersten Zustellsystems radial zugestellt werden. Zu diesem gehört eine zentrisch am Werkzeugkörper verlaufende erste Zustellstange 332-I, die am spindelabgewandten Ende einen konischen Abschnitt hat, der mit den Schrägflächen von Tragleisten der ersten Gruppe von Honsegmenten zusammenwirkt. Ein zweites Zustellsystem dient der Zustellung der zweiten Gruppe von Honsegmenten und weist ein rohrförmiges Zustellelement 332-A auf, welches die Zustellstange 332-I umschließt und an ihrem spindelabgewandten Ende eine konische Außenfläche hat, die mit Schrägflächen an den Tragleisten der zweiten Honsegmente zusammenwirkt.
  • Mit Hilfe des ersten Zustellsystems können die drei Honsegmente der ersten Gruppe von Honsegmenten aufgeweitet werden, um eine bestimmte Honoperation, beispielsweise eine Glatthonoperation oder eine Strukturhonoperation, durchzuführen. Wird stattdessen die andere Gruppe von Honsegmenten zugestellt, die eine andere Schneidbelagsorte aufweisen, kann eine andere Honoperation, beispielsweise eine Entgrathonoperation oder eine Plateauhonoperation, durchgeführt werden. Mit Hilfe des Ringwerkzeuges mit Doppelaufweitung können zwei unterschiedliche Honoperationen nacheinander durchgeführt werden, ohne zwischenzeitlich einen Werkzeugwechsel vorzunehmen oder eine andere Honspindel zur Bearbeitung zu nutzen.
  • Fig. 4 zeigt in 4A einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines Ringwerkzeugs 400 mit Doppelaufweitung, welches im Unterschied zum Ausführungsbeispiel von Fig. 3 zwei ringförmige Schneidgruppen 420-1 und 420-2 aufweist, die axial versetzt zueinander im spindelabgewandten Teil des Werkzeugkörpers 410 angebracht sind. Jede der ringförmigen Schneidgruppe (Querschnitt in Fig. 4B) hat drei gemeinsame zustellbare Honsegmente, die jeweils zwischen ca. 110° und 115° des Umfangs abdecken. Die axiale Länge der Honsegmente ist demgegenüber klein und beträgt typischerweise weniger als 10% der Bohrungslänge und/oder zwischen 10% und 20% des wirksamen Außendurchmessers des Honwerkzeugs im Bereich der Schneidstoffkörper. Zwischen benachbarten Honsegmenten sind am Werkzeugkörper jeweils Messdüsen 440 eines pneumatischen Durchmessermesssystems angebracht. Die Schneidgruppen liegen axial nahe beieinander, so dass der Schneidbereich des Honwerkzeugs, im welchem die beiden ringförmigen Schneidgruppen liegen, in Axialrichtung wesentlich kürzer ist als der wirksame Außendurchmessers des Honwerkzeugs.
  • Bei manchen Ausführungsformen sind die Schneidstoffkörper in Bezug auf den Werkzeugkörper elastisch nachgiebig gelagert. Dadurch kann ggf. die Fähigkeit zur Konturverfolgung bei Axialbewegung verbessert werden. Beispielsweise können zwischen den Trägerelementen und den Schneidstoffkörpern Federelemente (z.B. Blattfedern, Spiraldruckfedern der dergleichen) zwischengeschaltet sein. Es ist auch möglich, die Trägerelemente in sich elastisch nachgiebig zu gestalten, z.B. indem an geeigneten Stellen Schwächungen des Trägermaterialquerschnitts in Form von Schlitzen oder dergleichen konstruktiv vorgesehen sind.
  • Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, unter Verwendung von einem oder mehreren Ringwerkzeugen der in dieser Anmeldung beschriebenen Art flaschenförmige Bohrungen mit einer gewünschten Oberflächenstruktur der Bohrungsinnenfläche herzustellen. Ein erstes Ausführungsbeispiel wird im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 beschreben.
  • Bei dieser Verfahrensvariante wurde zunächst ein konventionelles Honwerkzeug mit axial relativ langen, schmalen Honleisten verwendet, um ausgehend von einer z.B. durch Feinbohren vorbearbeiteten Bohrung eine gehonte Bohrung mit Kreiszylinderform zu erzeugen. Die axiale Leistenlänge I betrug dabei ca. 1/2 bis 2/3 der gesamten Bohrungslänge L. Bei einer ersten Honoperation (Vorhonen) wurde mit Diamantleisten vom Typ D107 gearbeitet, eine anschließende Zwischenhonoperation wurde mit feiner Körnung (Körnung D54) durchgeführt. Dadurch wurde eine im Wesentlichen kreiszylindrische Bohrungsform mit geringer Abweichung zur Idealform und mit einer relativ glatten Oberfläche (RZ < 8 µm) hergestellt. Der eintrittsseitige und austrittsseitige Honüberlauf S betrug dabei ähnlich wie bei konventionellen Verfahren ca. 1/3 der Leistenlänge. Der Honüberlauf kann bei der Bearbeitung von V- oder Monoblockmotoren verkürzt werden.
  • Eine nachfolgende dritte Honoperation war als Flaschenhonoperation konzipiert. Mit Hilfe einer Flaschenhonoperation wird durch axial variierenden Materialabtrag mit geometrisch unbestimmtem Schneiden eine flaschenförmige Bohrungsform erzeugt. Dabei wurde in der dritten Honoperation (Flaschenhonoperation) ebenfalls mit relativ langen Honleisten mit Leistenlänge I = 2/3 L und einer speziellen Hubsteuerung gearbeitet, die anhand von Fig. 6 erläutert wird. Fig. 6 zeigt schematisch die Hubposition HP des Honwerkzeugs als Funktion der Honzeit t bei der Flaschenhonoperation. Nach dem Einfahren des Honwerkzeuges verläuft die Bearbeitung der Zylinderlauffläche zunächst von einem ersten Zeitpunkt t1 bis zu einem zweiten Zeitpunkt t2 mit der gleichen Hublänge in einer ersten Hublage genau wie bei der Bearbeitung einer kreiszylindrischen Bohrung. Der Begriff "Hublage" bezeichnet hierbei den Bereich zwischen dem oberen Umsteuerpunkt UO und dem unteren Umsteuerpunkt UU einer Hubbewegung. Jede Verlagerung eines Umsteuerpunktes ändert somit auch die Hublage.
  • Ab einem definierten zweiten Zeitpunkt t2 schaltet die Honmaschine automatisch auf eine inkrementelle Veränderung der Hublage um und nach jedem Hub wird der obere Umsteuerpunkt UO inkrementell in Richtung des unteren Umsteuerpunkts UU verändert. Die zeitliche Lage des zweiten Zeitpunkts t2 kann beispielsweise über eine bestimmte Hubanzahl oder über eine vorgegebene Honzeit oder über einen vorgegebenen Materialabtrag oder eine anderen auslösenden Parameter definiert werden. Das Ausmaß des Inkrements IN, um das sich der obere Umsteuerpunkt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hüben verändert, kann ebenfalls nach Bedarf eingestellt werden. Nach Abschluss der Hubverlagerungsphase zu einem dritten Zeitpunkt t3 wird die Bohrung mit der erreichten, neuen dritten Hublage so lange gehont, bis der zweite Bohrungsabschnitt den gewünschten Durchmesser erreicht und die Flaschenform (vgl. Fig. 1) erzeugt ist.
  • Je nachdem, wie die inkrementelle Variation der Hubverlagerung und der zeitliche Ablauf der Hubverlagerung vorgegeben werden, ergeben sich unterschiedliche Radien und Tangentenwinkel im Übergangsabschnitt. Diese Parameter können daher über die Parameter der Hubverlagerung vorgegeben werden. Die Flaschenhonoperation wird zweckmäßig mit Honleisten durchgeführt, deren Schneidstoffkörner feiner sind als diejenigen beim Vorhonen oder Zwischenhonen. Beispielsweise kann mit Diamantkörnern im Bereich D35 gearbeitet werden, um eine Flaschenform mit bereits relativ feiner Oberflächenstruktur zu erhalten.
  • Bei der Erzeugung der Flaschenform mit Hilfe relativ langer Honleisten und inkrementeller Hubverlagerung kann sich im Übergangsbereich eine relativ raue Oberflächenstruktur mit kleinen Stufen ähnlich einem Sägeprofil ergeben. Derartige Strukturen sind in der Regel unerwünscht. Um die erwünschte Oberflächenstruktur gleichmäßig auf der gesamten Bohrungsinnenfläche inklusive dem Übergangsabschnitt und den daran anschließenden Radien zu erhalten, wird daher bei dem hier beschriebenen Verfahren nach der Flaschenhonoperation eine Verrundung der Radien und eine Glättung der Oberfläche mit Hilfe eines Ringwerkzeus durchgeführt. Hier kann mit nochmals feineren Schneidmitteln gearbeitet werden, beispielsweise im Bereich D10 bis D15, insbesondere D12. Die Auswahl eines geeigneten Ringwerkzeuges (z.B. Einfachaufweitung, Doppelaufweitung mit zwei Schneidgruppen, angeordnet in einem gemeinsamen Ring, oder Doppelaufweitung mit zwei Schneidgruppen, angeordnet in zwei axial versetzten ringförmigen Schneidgruppen) hängt unter anderem vom Design des Zylinderblocks ab. Die Werkzeugauswahl kann beispielsweise am Ausmaß der möglichen Honüberläufe und/oder an der Lage und Größe von Querbohrungen orientiert sein. Wenn beispielsweise ein Zylinderkurbelgehäuse eine große Querbohrung hat, ist es in der Regel sinnvoll, mit einem Ringwerkzeug mit Einfachaufweitung (vgl. z.B. Fig. 2) zu arbeiten. In einem beispielhaften Prozess wurde ein solches Ringwerkzeug mit einer ringförmigen Schneidgruppe eingesetzt, um Rillen oder Grate, welche während der Bearbeitung der Flaschenhonoperation in dem Übergangsabschnitt entstanden sind, zu glätten. Mit Hilfe des Ringwerkzeuges können auch die Radien des Übergangsbereichs verrundet und die Oberflächenwerte so verändert werden, dass sie im Wesentlichen identisch mit den Oberflächenwerten in den benachbarten ersten und dritten Bohrungsabschnitten sind.
  • Fig. 7 zeigt hierzu ein Messdiagramm eines abgerundeten Profils eines flaschenförmigen Zylinders nach dem Einsatz eines Ringwerkzeuges mit Einfachaufweitung in dem hier dargestellten Prozess. Die Skalierung in der x-Achse des Diagramms (parallel zur Bohrungsachse) beträgt 5 mm pro gezeigter Maßeinheit, in der y-Achse (in Radialrichtung der Bohrung) beträgt eine Maßeinheit 10 µm.
  • Die Verwendung eines Ringwerkzeuges bringt hier nicht nur Vorteile im Hinblick auf den glatten, kantenfreien Verlauf der Bohrungskontur in Axialrichtung. Da bei Ringwerkzeugen der hier beschriebenen Art die Schneidstoffkörper einer ringförmigen Schneidgruppe einen großen Teil des Umfangs des Honwerkzeugs (beispielsweise zwischen 70% und 80%) einnehmen, ergibt sich außerdem beim Honen eine sehr gleichmäßige Überdeckung der bearbeiteten Bohrungsinnenfläche bei allen axialen Positionen. Der Begriff "Überdeckung" bezeichnet hierbei qualitativ die Gleichmäßigkeit der Verteilung von Honriefen über die gesamte Bohrungslänge und den Umfang. Werden konventionelle Honwerkzeuge mit axial relativ langen Honleisten verwendet, kann unter Umständen eine ungleichmäßige Rauheit oder Welligkeit in der Bohrung generiert werden. Dieses Problem kann je nach Blockdesign noch schärfer auftreten, wenn beispielsweise Motorblöcke mit kürzeren Honausläufen bearbeitet werden müssen. Bei einem Honauslauf von nur wenigen Millimetern Länge kann es zu einem ungleichmäßigen Verschleiß der langen Honleisten kommen, so dass die Bohrung im unteren Umsteuerpunkt einen geringeren Durchmesser als im oberen Umsteuerpunkt bekommen kann. Solche Probleme sind bei Verwendung konventioneller Honwerkzeuge (mit langen Honleisten) zwar durch Wahl geeigneter Honparameter weitgehend zu vermeiden, die Auslegung der entsprechenden Honprozesse ist aber relativ zeit- und kostenintensiv. Häufig müssen mehrere Versuche durchgeführt werden, bis eine Honprozessauslegung so optimiert ist, dass ungleichmäßige Bearbeitung mit langen Leisten vermieden wird. Bei Verwendung eines Ringwerkzeuges können viele der konventionell auftretenden Probleme vermieden werden. Zu den Vorteilen von Ringwerkzeugen gehören unter anderem:
    1. 1. Weil ein großer Anteil des Umfangs des Honwerkzeuges im Bereich einer ringförmigen Schneidgruppe mit Schneidstoffkörpern besetzt ist, kann eine Bohrungsinnenfläche mit Hilfe eines Ringwerkzeuges viel schneller strukturiert werden als mit Hilfe eines Leistenwerkzeuges. Dadurch können ggf. Taktzeiten verkürzt werden.
    2. 2. Wird die Hublänge verstellt, um beispielsweise die Form zu korrigieren, ergeben sich bei Verwendung von Ringwerkzeugen keine störenden Ungleichmäßigkeiten der Rauheitsverteilung, da die Überdeckung auch bei veränderter Hublänge beibehalten wird.
    3. 3. Ringförmige Schneidgruppen verschleißen im Wesentlichen gleichmäßig, so dass unerwünschte Konizitäten vor allem im Bereich des unteren Umsteuerpunkts bei Verwendung von Ringwerkzeugen vermieden werden können.
    4. 4. Die Einrichtung einer Honmaschine für einen neuen Honprozess kann bei Verwendung von Ringwerkzeugen viel einfacher und schneller als bei Verwendung konventioneller Leistenhonwerkzeuge verlaufen. Die Überdeckung wird, bedingt durch die Werkzeugkonstruktion, im Rahmen der Anforderungen ausreichend gleichmäßig sein.
  • Wird anstelle eines Ringwerkzeuges mit einfacher Aufweitung ein Ringwerkzeug mit einem einzigen Schneidgruppenring und Doppelaufweitung (vgl. z.B. Fig. 3) für die Strukturierung verwendet, wird es in der Regel erforderlich sein, die Hubanzahl gegenüber der Verwendung eines einfach aufweitenden Ringwerkzeuges zu erhöhen, um eine gleichmäßige Überdeckung zu gewährleisten. Die Vorteile von Ringwerkzeugen bleiben aber erhalten und die erforderliche Hubanzahl für eine gleichmäßige Strukturerung der Bohrungsinnenfläche wird immer noch geringer sein als die entsprechende Hubzahl bei Verwendung eines konventionellen Honwerkzeugs mit langen Honleisten.
  • Bei Verwendung eines Ringwerkzeuges kann die Zustellkraft zweckmäßig mittels einer hydraulischen Aufweitung ausgeübt werden, so dass die Oberfläche im Wesentlichen mit konstanter Kraft bearbeitet werden kann. Die Verfolgung der in Axialrichtung variierenden Kontur kann sich dann durch die Bauart bedingt allein schon durch die Nachgiebigkeit der hydraulischen Aufweitung einstellen.
  • Nach der Glättung der Bohrungsinnenfläche und Verrundung der Radien mit Hilfe eines Ringwerkzeuges können ein oder mehrere weitere Honoperationen nachgeschaltet werden, um die endgültig gewünschte Oberflächenstruktur an der flaschenförmigen Bohrung zu erzeugen.
  • Bei dem hier beispielhaft beschriebenen Prozess schließt sich zunächst eine fünfte Honoperation an, die hier als "Spiralstrukturhonen mit Ringwerkzeug" bezeichnet wird. Bei dieser Honoperation werden die axialen Geschwindigkeiten und die Drehzahl des Honwerkzeuges so aufeinander abgestimmt, dass relativ große Honwinkel, beispielsweise in der Größenordnung um 140°, erzeugt werden. Selbstverständlich können bei anderen Verfahrensvarianten auch andere Honwinkel und/oder Rauheitsprofile erzeugt werden. Das Spiralstrukturhonen ist in dem Beispielsfall so ausgelegt, dass praktisch kein globaler Materialabtrag mehr erzielt wird, sondern lediglich in die nach dem Verrunden sehr glatte Oberfläche mit Hilfe eines relativ grobkörnigen Schneidstoffkörpers mit geringer Schneidkorndichte Riefen geeigneter Tiefe und Verteilung erzeugt werden. Es können z.B. Schneidstoffkörper mit Schneidmittelkorndichte 1,25 bis 15 Vol. % und/oder Korngröße 35 bis 200 µm verwendet werden (vgl. z.B. DE 10 2005 018 277 A1 ).
  • Anschließend wird in einer sechsten und letzten Honoperation die vorher strukturierte Oberfläche noch entgratet (Entgrathonen). Hierzu wird vorzugsweise ebenfalls ein Ringwerkzeug mit feinen Schneidmitteln verwendet, beispielsweise das gleiche Ringwerkzeug, welches auch für die vierte Honoperation (Verrundung der Radien und Glatthonen) verwendet wurde. Hier kann mit unterschiedlichen Aufweitungsarten gearbeitet werden. Die Aufweitungsart kann hydraulisch/hydraulisch, hydraulisch/mechanisch oder mechanisch/mechanisch ausgelegt sein. Bei einer mechanischen Aufweitung kann z.B. kraftgesteuert über eine servomechanische Aufweitung (hydraulic-like) oder positions- und kraftgesteuert gefahren werden.
  • Bei einer alternativen Verfahrensvariante wird bei der Flaschenhonoperation, also bei der Erzeugung einer flaschenförmigen Bohrungsform aus einer vorher noch kreiszylindrischen Bohrungsform, ein aufweitbares Ringwerkzeug verwendet. Hierzu ist vorgesehen, dass die Steuerung des Aufweitungssystems für die radiale Zustellung der Honsegmente mit der Steuerung für die Hubposition gekoppelt wird, damit das Ringwerkzeug den Übergangsabschnitt mit dem sich verändernden Durchmesser genau generieren kann und auch im zylindrischen ersten und zweiten Bohrungsabschnitt mit geeigneter Andrückkraft arbeitet (vgl. Fig. 8). Die Flaschenhonoperation kann als zweite Honoperation unmittelbar nach dem Vorhonen vorgesehen sein und insoweit die zweite bis vierte Honoperation des ersten Ausführungsbeispiels ersetzen. Die hubabhängige Steuerung der Aufweitung erfolgt dann so, dass die Honsegmente der Schneidgruppe bei einem Abwärtshub entsprechend der Flaschenform in Abhängigkeit von der Hubposition weg- und kraftgesteuert radial nach außen zugestellt und bei einem Aufwärtshub entsprechend der Flaschenform in Abhängigkeit von der Hubposition im Bereich des Übergangsabschnitts wieder radial zurückgezogen werden. So kann von Anfang an ein glatter Konturverlauf im Übergangsabschnitt erreicht werden.
  • An der Honmaschine kann dies dadurch erreicht, dass bestimmte Hubbereiche entsprechend den ersten bis dritten Bohrungsabschnitten im Steuerprogramm eingegeben werden, so dass die Schneidgruppe durch weg- und kraftgesteuerte Aufweitung beim Abwärtshub ab Ende des ersten Bohrungsabschnitts aufweitet. Beim Aufwärtshub fährt die Aufweitung der Schneidgruppe dann ab Ende des dritten Bohrungsabschnitts zurück, so dass der erwünschte programmierte flaschenförmige Zylinder generiert wird. Fig. 8 zeigt hierzu beispielhaft ein schematisches Diagramm, welches die Abhängigkeit der axialen Hubposition HP (durchgezogene Linie) und der radialen Aufweitposition AP (gestrichelte Linie) als Funktion der Honzeit t beim Flaschenhonen mit Ringwerkzeug zeigt.
  • Ringwerkzeuge der hier beschriebenen Art können nicht nur zur Erzeugung bzw. Bearbeitung von flaschenförmigen Bohrungen verwendet werden, sondern können auch ohne Modifikation bei der Bearbeitung von Bohrungen mit anderer Geometrie erhebliche Vorteile bringen. Beispielsweise ist es möglich, ein Ringwerkzeug mit Doppelaufweitung und einem einzigen Schneidgruppenring identisch oder ähnlich dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 dazu zu verwenden, an einer Bohrung eine Freiform mit einem unrunden Bohrungsquerschnitt zu erzeugen. Dies wird üblicherweise als Formhonen bezeichnet. Beispielsweise kann mit Hilfe des Ringwerkzeuges ein Bohrungsabschnitt mit Kleeblattform oder Ellipsenform des Querschnitts erzeugt werden. Hierzu muss die Honmaschine die Möglichkeit besitzen, das erste Zustellsystem und das zweite Zustellsystem gleichzeitig zu steuern, wobei je nach Hubposition und Winkelposition der Schneidgruppe zu der Bohrung die Aufweitungen mit unterschiedlicher Kraft/Position gesteuert werden müssen, so dass die Freiform entstehen kann.
  • Es ist auch möglich, mit einem Ringwerkzeug eine Bohrungsform zu erzeugen und/oder zu bearbeiten, die einen kegelstumpfförmigen Bohrungsabschnitt (Konusabschnitt) aufweist, der relativ abrupt oder mit Übergangsradius in einen angrenzenden zylindrischen Bohrungsabschnitt übergeht, ohne dass sich ein weiterer Bohrungsabschnitt anschließt. Dadurch kann z.B. eine Bohrung mit Trichterform erzeugt werden, die einen eingangsseitigen zylindrischen ersten Bohrungsabschnitt mit einem ersten Durchmesser hat, der sich in einem angrenzenden zweiten Bohrungsabschnitt zum Bohrungsgrund hin konisch bis zu einem Maximaldurchmesser vergrößert. Der Durchmesserunterschied zwischen dem zylindrischen ersten Bohrungsabschnitt und dem Maximaldurchmesser im konischen zweiten Bohrungsabschnitt kann z.B. zwischen ca. 20 µm und ca. 90 µm liegen. Die axiale Länge des zylindrischen ersten Bohrungsabschnitts kann z.B. zwischen 20% und 80% der gesamten Bohrungslängeliegen.
  • Weiterhin ist es möglich, mithilfe eines Ringwerkzeugs in einer Bohrung einen tonnenförmigen Bohrungsabschnitt, d.h. eine Ausbauchung in einer ansonsten weitgehend zylindrischen Bohrung zu erzeugen. Die Ausbauchung kann etwa mittig oder aber in der Nähe eines der Bohrungsenden liegen.
  • Bei Verwendung eines Ringwerkzeuges ist es auch relativ kostengünstig möglich, eine Zylinderlauffläche so zu bearbeiten, dass im Bereich des oberen Totpunktes und/oder im Bereich des unteren Totpunktes schmale Streifen mit anderen Oberflächenstrukturen vorliegt als im mittleren Bereich höchster Kolbengeschwindigkeit. Diese Variante wird hier als "Streifenhonen" bezeichnet. Ein hierzu geeignetes konventionelles Verfanren und ein entsprechend angepasstes Honwerkzeug sind z.B. in der DE 195 42 892 C2 beschrieben. Dort wird zusätzlich zu einer Honbearbeitung, die die gesamte axiale Länge des Honwerkzeuges mit langen Honleisten bearbeitet, eine kurzhubige Honbearbeitung mit Hilfe kurzer Honleisten durchgeführt, wobei diese Honbearbeitung nur den Bereich des oberen Totpunktes bzw. des unteren Totpunktes abdeckt.
  • Bei Verwendung eines Ringwerkzeuges mit Doppelaufweitung und zwei axial versetzten Schneidgruppen (vgl. z.B. Fig. 4) sind entsprechende Oberflächenbearbeitungen ebenfalls möglich. Beispielsweise kann mit der ersten ringförmigen Schneidgruppe eine langhubige Bearbeitung der gesamten Bohrungslänge durchgeführt werden, bevor dann beispielsweise mit der zweiten Schneidgruppe im Bereich des oberen Totpunktes eine kurzhubige Bearbeitung zur Erzeugung einer besonderen Struktur im Bereich des oberen Totpunktes durchgeführt wird.
  • Bei entsprechender variabler Steuerung des Verhältnisses zwischen Hubfrequenz und Drehfrequenz der Arbeitsspindel kann auf einfache Weise auch erreicht werden, ein solches Streifenhonen mit unterschiedlichen Honwinkeln in unterschiedlichen axialen Bohrungsabschnitten durchzuführen (vgl. z.B. Fig. 4 aus DE 10 2007 032 370 A1 ).

Claims (15)

  1. Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mithilfe mindestens einer Honoperation, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen,
    wobei während einer Honoperation ein aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung auf und ab bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung gedreht wird,
    wobei eine von der Kreiszylinderform abweichende Bohrungsform erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
    dass eine flaschenförmige Bohrung erzeugt wird, die anschließend an einen Bohrungseintritt einen ersten Bohrungsabschnitt mit einem ersten Durchmesser, entfernt von dem Bohrungseintritt einen zweiten Bohrungsabschnitt mit einem zweiten Durchmesser, der größer als der erste Durchmesser ist, und zwischen dem ersten und dem zweiten Bohrungsabschnitt einen Übergangsabschnitt mit einem kontinuierlichen Übergang vom ersten zum zweiten Durchmesser aufweist,
    wobei bei mindestens einer Honoperation ein Ringwerkzeug (200, 300, 400) verwendet wird, das mindestens eine ringförmige Schneidgruppe (220, 320, 420) mit drei oder mehr um den Umfang eines Werkzeugkörpers verteilten, durch Verschiebung in Radialrichtung bei der Zustellung radial zustellbaren Schneidstoffkörpern aufweist, die als in Umfangsrichtung breite und in Axialrichtung schmale Honsegmente gestaltet sind, wobei eine in Axialrichtung gemessene axiale Länge der Honsegmente kleiner als die in Umfangsrichtung gemessene Breite und die axiale Länge des mit Schneidstoffkörpern ausgestatteten Schneidbereichs kleiner als der wirksame Außendurchmesser des Honwerkzeugs ist.
  2. Honverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Bohrung mit kreiszylindrischer Bohrungsform erzeugt wird und danach in einer Flaschenhonoperation durch Honen mit axial variierendem Honabtrag eine flaschenförmige Bohrungsform erzeugt wird.
  3. Honverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Flaschenhonoperation ein aufweitbares Honwerkzeug mit mindestens einer ringförmigen Schneidgruppe verwendet wird, wobei Honsegmente der Schneidgruppe bei einem Abwärtshub entsprechend der Flaschenform in Abhängigkeit von der Hubposition radial zugestellt und bei einem Aufwärtshub entsprechend der Flaschenform in Abhängigkeit von der Hubposition radial zurückgezogen werden.
  4. Honverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Flaschenhonoperation ein aufweitbares Honwerkzeug mit Honleisten verwendet wird, deren Länge mehr als 50% der Länge der Bohrung beträgt, wobei in einer ersten Phase das Honwerkzeug in einer ersten Hublage zwischen einem oberen und einen unteren Umsteuerpunkt auf und ab bewegt wird, danach in einer zweiten Phase der obere Umsteuerpunkt inkrementell in Richtung des unteren Umsteuerpunkts verändert wird, so dass eine Verlagerung der Hublage in Richtung einer zweiten Hublage im Bereich des zweiten Bohrungsabschnitts erfolgt, und danach in einer dritten Phase das Honwerkzeug in der zweiten Hublage auf und ab bewegt wird.
  5. Honverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Flaschenhonoperation eine Glättungshonoperation zur Glättung des Bohrungsprofils im Übergangsbereich durchgeführt wird, wobei bei der Glättungshonoperation ein aufweitbares Honwerkzeug mit mindestens einer ringförmigen Schneidgruppe verwendet wird, wobei vorzugsweise bei der Glättungshonoperation die Schneidstoffkörper mit konstanter Zustellkraft an die Innenfläche der Bohrung gedrückt werden.
  6. Honwerkzeug, insbesondere zur Durchführung des Honverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Werkzeugkörper (210, 310, 410), der eine Werkzeugachse definiert, mindestens einer an dem Werkzeugkörper angebrachten Schneidgruppe (220, 320, 420) mit Schneidstoffkörpern zum materialabtragenden Bearbeiten der Innenfläche einer Bohrung, und einem der Schneidgruppe zugeordneten Schneidgruppen-Zustellsystem zur Ausübung einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft auf die Schneidstoffkörper der Schneidgruppe,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Honwerkzeug (200, 300, 400) als Ringwerkzeug ausgebildet ist und mindestens eine ringförmige Schneidgruppe (220, 320, 420) mit drei oder mehr um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten, durch Verschiebung in Radialrichtung bei der Zustellung radial zustellbaren Schneidstoffkörpern (220-1, 220-2, 220-3) aufweist, die als in Umfangsrichtung breite und in Axialrichtung schmale Honsegmente gestaltet sind, wobei eine in Axialrichtung gemessene axiale Länge (LHS) der Honsegmente kleiner als die in Umfangsrichtung gemessene Breite und die axiale Länge des mit Schneidstoffkörpern ausgestatteten Schneidbereichs kleiner als der wirksame Außendurchmesser des Honwerkzeugs ist.
  7. Honwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge der Honsegmente weniger als 30% des wirksamen Außendurchmessers des Honwerkzeugs beträgt, insbesondere zwischen 10% und 20% dieses Außendurchmessers und/oder dass die axiale Länge der Honsegmente im Bereich von 5 mm bis 20 mm liegt und/oder dass die axiale Länge der Honsegmente weniger als 10% der Bohrungslänge der zu honenden Bohrung beträgt.
  8. Honwerkzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als die Hälfte des Umfangs einer ringförmigen Schneidgruppe (220, 320, 420), insbesondere mehr als 70% dieses Umfangs, mit Schneidstoffkörpern besetzt ist.
  9. Honwerkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schneidgruppe aus drei, vier, fünf oder sechs Honsegmenten besteht.
  10. Honwerkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidgruppe (220, 320, 420) derart in der Nähe eines spindelabgewandten Endes des Werkzeugkörpers angeordnet ist, dass sich die Schneidgruppe ausschließlich in der spindelabgewandten Hälfte des Werkzeugkörpers befindet.
  11. Honwerkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringwerkzeug (200, 300) eine einzige ringförmige Schneidgruppe (220, 320) aufweist, die vorzugsweise an einem freien Ende des Werkzeugkörpers (210, 310) angeordnet ist.
  12. Honwerkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
    dass eine ringförmige Schneidgruppe (320) zwei unabhängig voneinander zustellbare Gruppen von Honsegmenten (320-1, 320-2) aufweist, wobei Honsegmente der Gruppen in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet sind.
  13. Honwerkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
    dass das Ringwerkzeug (400) eine erste ringförmige Schneidgruppe (420-1) und mindestens eine zweite ringförmige Schneidgruppe (420-2) aufweist, die axial versetzt zur ersten ringförmige Schneidgruppe angeordnet und unabhängig von der ersten ringförmigen Schneidgruppe zustellbar ist, wobei das Ringwerkzeug vorzugsweise genau zwei ringförmige Schneidgruppen aufweist.
  14. Honwerkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
    dass am Honwerkzeug ein oder mehrere Sensoren eines Durchmessermesssystems angeordnet sind, wobei vorzugsweise zwischen benachbarten Honsegmenten am Werkzeugkörper jeweils Messdüsen (440) eines pneumatischen Durchmessermesssystems angebracht sind.
  15. Honwerkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
    dass am Werkzeugkörper ein integriertes, mehrachsig bewegliches Gelenk, insbesondere ein Kugelgelenk (350), vorgesehen ist.
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