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WO2015180994A1 - Honverfahren zur feinbearbeitung von bohrungen - Google Patents

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Publication number
WO2015180994A1
WO2015180994A1 PCT/EP2015/060928 EP2015060928W WO2015180994A1 WO 2015180994 A1 WO2015180994 A1 WO 2015180994A1 EP 2015060928 W EP2015060928 W EP 2015060928W WO 2015180994 A1 WO2015180994 A1 WO 2015180994A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
honing
bore
tool
cutting
honing tool
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2015/060928
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian KRANICHSFELD
Joachim Weiblen
Fabio Antonio XAVIER
Oliver Bachmann
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
Application filed by Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG filed Critical Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority to US15/313,756 priority Critical patent/US10160087B2/en
Priority to EP15723914.6A priority patent/EP3148745B1/de
Priority to SI201530927T priority patent/SI3148745T1/sl
Priority to JP2016569873A priority patent/JP6345275B2/ja
Priority to ES15723914T priority patent/ES2747366T3/es
Publication of WO2015180994A1 publication Critical patent/WO2015180994A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • B24B33/02—Honing machines or devices; Accessories therefor designed for working internal surfaces of revolution, e.g. of cylindrical or conical shapes
    • B24B33/025—Internal surface of conical shape
    • 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
    • B24B33/10—Accessories
    • B24B33/105—Honing spindles; Devices for expanding the honing elements

Definitions

  • the invention relates to a honing method for fine machining an inner surface of a bore in a workpiece according to the preamble of claim 1.
  • Preferred field of application is the machining of substantially cylindrical sliding bearing surfaces in components for engine construction, in particular the machining of cylinder surfaces of an engine block or the processing of connecting rods in connecting rods.
  • Classical honing is a machining process with geometrically indeterminate cutting edges, in which a multi-bladed honing tool executes a two-component cutting movement, which leads to a characteristic surface structure of the machined inner surface.
  • a surface structure with crossed processing marks cross-cut
  • the working movement of the honing tool in the workpiece usually consists of an axially reciprocating stroke movement and one of these superimposed rotary motion.
  • honing finished surfaces can be produced, which meet extremely high requirements in terms of dimensional and form tolerances and in terms of the surface structure.
  • cylinder surfaces i. Inner surfaces of cylinder bores in an engine block or in a cylinder sleeve to be installed in an engine block, subjected to bearing surfaces for shafts and the cylindrical inner surfaces in connecting rods honing.
  • Tolerances require holes to have a particular position in a workpiece-related coordinate system.
  • position here refers to a three-dimensional position of the bores, i.e. both the local position of a bore and the angular position or orientation of the bore in the coordinate system of the workpiece
  • the position of the bore can be represented, for example, by the position of the bore axis.
  • Some of the pre-honing processes usually create holes whose position does not match the target position.
  • the task of downstream machining operations is then to correct the position of the hole towards the desired position
  • To prepare the workpieces to be machined for honing honing is often preceded by pre-machining by fine boring (also called fine turning or fine spindles), ie a machining with a geometrically defined cutting edge.
  • the fine boring can be designed as position-correcting or position-determining fine boring operations to set the desired position of the bore. This can be traced in subsequent honing operations with a gimbal or otherwise limited movably mounted honing the specified by the fine boring hole axis without changing the position.
  • An essential task of the honing operation is then the generation of the required surface roughness, the cylindrical shape and the diameter.
  • the positional displacement of the bore axis is effected here via a more or less rigid or rigid design of honing machine, spindle and honing tool.
  • the desired nominal position is approached exactly, the rigidity in honing machine, work spindle and honing tool causes the bore position of the tool position and thus the desired position approaches during the machining process.
  • DE 10 2010 010 901 A1 describes honing methods for honing crankshaft bearing bores.
  • a honing operation with heavy material removal as achslagenkorrigie- rende honing operation is performed such that by the honing operation a shift of Hole axis in the direction of the desired position takes place.
  • the honing tool is supported in the radial direction at a distance from the coupling point to the work spindle, wherein at least one cutting group of the honing tool is located between the support point and the coupling to the drive rod.
  • a position-correcting machining of relatively unstable workpieces without permanent deformation of the workpieces is to be made possible.
  • the invention provides a honing method having the features of claim 1.
  • Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated herein by reference.
  • the honing method includes a honing operation using an expandable honing tool having an expandable annular cutting group with a plurality of cutting bodies distributed around the circumference of the tool body in a distal end portion of a tool body, wherein an axial length of the cutting tool body is smaller than the effective outer diameter of the tool body annular cutting group with completely retracted Schneidstoff emotionsn.
  • a honing tool is referred to as "ring tool" in the context of this application.
  • the honing tool is rigidly coupled to a work spindle of a processing machine, wherein the coupling can be done directly or with the interposition of a rigid drive rod.
  • the coupling takes place so that the tool axis (longitudinal center axis, rotation axis) is coaxial with the spindle axis of the work spindle. Due to the rigid coupling this orientation is maintained even when exposed to lateral forces on the honing tool.
  • the honing tool and the bore are positioned relative to each other so that the tool axis of the honing tool is coaxial with the desired position of the bore axis of the bore. This can be done by transverse movements of the work spindle in a plane perpendicular to the spindle axis and / or by transverse movements of the workpiece containing the bore in a plane perpendicular to the bore axis.
  • the honing tool is introduced into the bore with partially or completely retracted cutting bodies to an import end position, in which the cutting group is located in an entry remote end portion of the length of the bore to be machined.
  • the cutting material bodies are pulled back so far that they touch the bore inner wall at any point during insertion.
  • the relative positioning of the honing tool with respect to the bore can take place before or after the insertion operation or overlapping in time.
  • the axially relatively narrow annular cutting group is located in the entry-distant end region, which can lie, for example, in a blind hole directly or with only a small axial distance in the vicinity of the bottom of the hole.
  • the honing tool is rotated about its tool axis, and at the same time, the annular cutting group is expanded so that its effective outer diameter gradually increases.
  • the expansion or expansion is continued until the cutting material body reach a first radial position such that generated by material-removing engagement of cutting bodies on the inside of the bore in said end portion of the bore substantially centered to the desired position of the bore axis cylindrical extension of the bore has been.
  • the cutting material body dig due to the tool rotation and the simultaneous expansion (increase in diameter) of the cutting group at least on a part of the circumference of the bore to be machined in the bore wall, so that the cylindrical extension is formed.
  • the honing tool rotates coaxially with the tool axis in the expansion operation, which in turn is located at the location of the target position of the bore axis, the cylindrical extension of the bore is generated so that its center coincides with the desired position of the bore axis.
  • a circular cylindrical bore can be produced whose bore axis lies exactly at the desired position of the bore axis and has the desired angular position.
  • the honing operation can thus change the position of the bore and correct it in the direction of the desired position.
  • the process of producing the centered bore begins in the region of the cylindrical extension, that is to say at the end remote from the region of the bore to be machined. In this area, bores are often connected to the rest of the material of the workpiece, so that the bore or the workpiece material in this area can not avoid even with unstable workpiece structures when creating the cylindrical extension and permanent workpiece deformation can be avoided.
  • the axially narrow design of the cutting group contributes to the fact that only relatively small lateral Auslenk concept occur and only at a relatively short distance or only a small axial length.
  • the design with annular cutting group also means that at relatively low pressure forces large cutting performance can be achieved and that the paths for the removal of removed material, ie of abrasion, are relatively short. As a result, clogging of the abrasive cutting surfaces of the cutting bodies by abrasion can be avoided and the cutting bodies remain permanently easy to cut. Due to the short design, a better cooling lubricant supply is possible than with longer honing stones, which in turn makes it possible is created to operate the honing tool for material removal at relatively high speeds, so that more removal can be achieved at lower cutting forces.
  • An annular cutting group is characterized in comparison to conventional honing stones inter alia by the fact that in the covered by the annular cutting group substantially more contact surface between Schneidstoff Sciencesn and bore inner surface than in a comparatively narrow axial portion of a conventional honing tool with relatively narrow honing stones.
  • more than 60% of the circumference of the annular cutting group is coated with cutting means, more preferably even more than 70% or more than 80% of the circumference of the cutting group.
  • the axial length of the cutting material body can be, for example, 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 be in the range of 5 mm to 20 mm, for example.
  • the axial length may be less than 10% of that bore length.
  • Honing tools are preferably used in which the cutting bodies are designed as wide in the circumferential direction and narrow in the axial direction Honsegmente, wherein measured in the axial direction axial length of the Honsegmente is smaller than the measured width in the circumferential direction.
  • a hearing segment is usually rigid in itself, so that the entire hearing segment as a whole is moved during delivery.
  • a hearing segment may define an uninterrupted cutting surface, but the cutting surface may possibly also be interrupted once or several times.
  • the machining forces can be distributed well and relatively evenly over the circumference of the cutting group over the entire effective outer diameter of the honing tool available through expansion.
  • the cutting group exactly three, exactly four, exactly five or exactly six honing segments of the same or different circumferential width can be provided.
  • more than six honing segments within a cutting group are possible, they make the design more complicated and are generally not required. In some cases, it may also be sufficient if the honing tool only has two honing segments.
  • the honing tool is constructed so that the cutting material bodies can be delivered radially, so that the cutting material bodies, for example, during expansion of the cutting group radially (perpendicular to the tool axis) to be delivered. Due to the radial Zu pla- speed, ie a displacement of the Honsegmente in the radial direction during the delivery, it can be achieved that the engagement conditions between cutting material body and bore inner surface, regardless of the set diameter remain practically constant. By avoiding Schneidstoff stresses tilt during radial delivery uneven wear can be avoided.
  • the cutting material bodies form a wedge-shaped cutting surface, wherein a circumferential width of the cutting surface is wider at a spindle-near side than at a spindle-distal side.
  • the cutting material bodies are thus wider on the side which first engages in the removal of the honing tool in the material to be removed, which can be counteracted to a certain extent a necessarily uneven wear.
  • the enlargement is generated so that a difference in diameter between the cylindrical extension and a subsequent, (not) not widening bore portion after the generation of the cylindrical extension or before the beginning of the pulling operation at least 100 ⁇ is.
  • the difference in diameter is at least 200 ⁇ , where it may for example be between 200 ⁇ and 500 ⁇ .
  • a substantial allowance in the range of one or more tenths of a millimeter (in diameter) in an upstroke, i. a stroke in the direction of the inlet opening be removed. If necessary, rough position errors of the bore can also be corrected.
  • the honing tool can center itself largely without external transverse forces to the desired position of the bore before the start of the pulling operation, it is provided in some embodiments that after the generation of the cylindrical extension before the extraction of a relief operation to relieve the honing tool is performed.
  • the cutting material bodies are set back, starting from the first radial position, by a predefinable reset amount into a second radial position, wherein the reset amount can be, for example, between 10 ⁇ m and 15 ⁇ m.
  • the radially outer cutting surfaces of the cutting material body may possibly solve from direct engagement with the inside of the cylindrical extension, so that the honing tool due to any residual elasticities on the drive side (work spindle, possibly drive rod) can move even in the centric position of which then starts the following train operation.
  • a relief could also be achieved by introducing the honing tool axially a few micrometers.
  • the honing tool is merely expanded during the expansion operation and the cutting group remains at the import end position without being moved axially.
  • a short-stroke axial oscillation movement is superimposed at least in phases during expansion of the cutting group to produce the extension of the rotation of the honing tool.
  • Short stroke lengths for example in the range of 2 mm to 3 mm, are usually sufficient for this purpose.
  • honing tools in which the cutting material body cutting grains having a mean grain size in the range of 50 ⁇ to 250 ⁇ have. With grain sizes in this range, a sufficiently efficient removal of material is generally possible, wherein at the same time the resulting after pulling the honing tool surface structures are optimized so that subsequent processing stages, in particular by honing, only have to afford a small material removal.
  • an expandable honing tool with relatively long honing stones is used in one of the position-correcting honing operations following another honing operation. It can be a conventional long stroke honing tool.
  • the length of the honing stones may be, for example, more than 30% or more than 40% of the length of the bore.
  • the processing machine may be a honing machine specially set up for honing processes, but possibly also another suitably equipped machine tool, for example a machining center or a grinding machine. The workpiece to be machined is received and held by a workpiece holding device of the processing machine.
  • the work spindle is rotated by means of a rotary drive to the associated spindle axis.
  • the axial stroke movement superimposed on the rotation relative to the machined workpiece can be produced in different ways.
  • the workpiece does not move during machining in the axial direction, while the rotational movement and the lifting movement are generated by corresponding rotation and lifting movement of the working spindle of the machine tool and transferred to the honing tool (axially stationary workpiece).
  • the processing machine has at least one lifting drive for generating an axial lifting movement of the work spindle and / or the workpiece holding device parallel to the spindle axis.
  • the honing tool described in this application and its variants described can be taken alone, i. regardless of the procedure, be protected.
  • Figure 1 is a schematic view of a part of a multi-axis processing machine in the form of a honing machine in carrying out an embodiment of the honing process.
  • Fig. 2 is an axial section in Fig. 2A and in Fig. 2B a cross-section through an embodiment of a honing tool with an annular cutting group;
  • FIG. 1 shows a schematic view of a part of an NC-controlled, multi-axis processing machine 100 in the form of a honing machine 100 in the direction parallel to the x-direction of the machine coordinate system MKS.
  • the honing machine has several honing units arranged side by side in the x-direction and simultaneously operable.
  • Fig. 1 some components of a honing unit 1 10 are shown.
  • a control device 1 15 controls working movements of movable components of the honing machine.
  • the honing machine is adapted for honing cylinder surfaces in the manufacture of cylinder blocks for internal combustion engines.
  • a currently machined workpiece 120 is clamped on a workpiece holding device 125 fixed.
  • the position of the workpiece on the workpiece holding device is predetermined by means of indexing elements 126, so that a defined relationship exists between the workpiece coordinate system WKS and the machine coordinate system MKS.
  • the workpiece holding device has a horizontally movable carriage 127, which can be moved by means of a controllable via the controller 1 15 drive 128 parallel to the y-direction of the machine coordinate system MKS.
  • the workpiece is in the example a cylinder crankcase of a 4-cylinder in-line engine with four axis-parallel cylinder bores.
  • the next to be machined hole 122 can be seen, the other holes are offset in the x direction.
  • the honing unit 110 is attached to the front of a vertical support structure 105 constructed on the machine bed of the honing machine.
  • the honing unit comprises a headstock 135, which serves as a bearing for the work spindle 130, which is guided with a vertical spindle axis 132 in the headstock.
  • the rotation of the work spindle about the spindle axis is effected by a rotary drive, not shown, mounted on the headstock and e.g. acts on the work spindle via a chain drive.
  • a lifting drive structurally connected to the headstock causes the vertical movements of the work spindle parallel to the spindle axis 132 during insertion of the honing tool 200 to be machined into the bore to be machined or when removing the honing tool from this bore.
  • the lifting drive can be controlled during honing by the control device 1 15 so that the honing tool performs within the bore of the workpiece, a vertical reciprocating motion according to the desired Honparameter.
  • the honing tool 200 is rigidly coupled to the free end of the work spindle 130 in the example.
  • a rigid but detachable connection between work spindle and honing Tool can be provided, for example, a correspondingly secured bayonet connection, a screw connection, a flange connection or a conical connection, eg with hollow shaft taper (HSK).
  • HSK hollow shaft taper
  • the honing unit 1 10 with the vertical work spindle 130 contained therein is linearly movable in a horizontal direction parallel to the x-axis of the machine coordinate system MKS, ie perpendicular to the spindle axis in a transverse direction.
  • MKS machine coordinate system
  • Horizontal transverse movements in the x direction can also be used to move the honing unit to a tool changer arranged in line with the transverse movement.
  • the headstock is mounted on a horizontally movable carriage 1 14, which is guided linearly on two horizontal guide rails on the front of the support structure 105 facing the headstock.
  • the transverse movement is effected by a positioning drive 1 18, which is arranged between the support structure and the carriage 1 14.
  • a honing tool 200 of special construction is used, which is also referred to in this application as an "annular tool" (see also Fig. 2)
  • the honing tool has a cutting group 220 attached annularly to the tool body 210 around the circumference
  • the cutting material bodies are designed as honing segments whose width in the circumferential direction is significantly greater than their length in the axial direction
  • Workpiece abrasive abrasive body are concentrated in an axially relatively narrow zone (annular cutting group) and take a relatively large proportion of the circumference of the honing tool.
  • FIG. 2 shows in FIG. 2A 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 simultaneously represents the axis of rotation of the ring tool while honing is. At the spindle-side end of the ring tool (in Fig.
  • annular cutting group 220 At the spindle end facing away from the tool body (in Fig. 2A below) is the annular cutting group 220, which has several (in the example, three) evenly distributed over the circumference of the tool body Schneidstoff Sci 220-1, 220-2, 220-3, which by means of a Cutting material body delivery system radially to the tool axis 212 can be delivered to the outside to the abrasive outer sides of the Schneidstoffköpers, ie the cutting surfaces to press with a defined pressing force or pressing force against the inner surface of a bore to be machined.
  • Each of the three arc-shaped cutting material bodies is designed as a very wide in the circumferential direction, in contrast, in the axial direction narrow Honsegment which covers a circumferential angle range between 1 15 ° 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 seated completely inside the spindle-remote half of the tool body at the end of the ring tool facing away from the spindle.
  • a flush termination with the lower end of the tool body is cheap, but not mandatory.
  • the ring should sit in the spindle distal third or in the distal quarter of the tool body, there may be a small distance to the front side of the tool body.
  • 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 outer diameter of the cutting group corresponds to maximally inwardly drawn cutting bodies.
  • the honing tool has only this one annular cutting group.
  • the axial length LHS therefore simultaneously corresponds 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 carried cutting material bodies 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.
  • a hearing segment may, as shown, have on its outside a continuous, uninterrupted cutting surface.
  • the cutting coating consist of a single piece of the cutting means. It is also possible that a plurality of (eg, two, three, four, five, six, or more) relatively narrow cutter bodies are mounted closely adjacent, with or without mutual spacing, to the arcuately curved outside of a common carrier member. The cutting surface would then be interrupted, which may possibly be favorable for the cooling lubricant supply.
  • the use of relatively wide honing segments in the annular cutting group may i.a. be favorable in the machining of bores, e.g. have for the purpose of gas exchange transverse bores, which open at the bore surface to be machined.
  • Wide, inherently rigid honing segments can bridge the mouth region so that the honing tool can not "get stuck.” If only a few (eg three) wide honing segments are provided, only a few radial perforations must be provided on the tool body, resulting in improved mechanical properties Stability results, which is favorable in a position-correcting machining, in order to withstand lateral forces.
  • This machine and tool concept enables a position-correcting material-removing machining of the inner surface of the bore 122 in order to bring the bore position within the tolerances into its desired position by means of honing.
  • FIG. 3 shows different phases or different partial operations of a position-correcting honing operation.
  • the bore 122 is not yet at its desired setpoint position, which in the example is represented by the setpoint position SB of the bore axis. Rather, the bore 122 still shows a lateral offset to the desired position, wherein the actual position of the Bore (characterized by the current bore axis IB) is outside the tolerances next to the desired position.
  • the bore inner surface does not yet show the intended intended use surface structure, which is also still to produce by honing.
  • the honing tool is positioned relative to the bore so that the tool axis 212 is coaxial with the desired position SP of the bore.
  • the workpiece carrier 127 is moved horizontally parallel to the y-direction of the machine coordinate system and / or the headstock or the work spindle parallel to the x-direction of the machine coordinate system.
  • the coaxial position set by the positioning operation is schematically illustrated in FIGS. 1 and 3A.
  • the feed rod of the cutting material delivery system is moved upward until the cutting bodies assume their maximum retracted position, whereby the outer diameter of the annular cutting group assumes its smallest value.
  • the honing tool will then fit into the hole in vertical operation without touching the bore walls.
  • the honing tool is inserted into the bore 122 by actuation of the lifting drive of the work spindle and lowered until the honing tool reaches an insertion end position in which the annular cutting assembly 220 is located in an entry distal end portion 123 of the bore 122 ( Figure 3B).
  • the end region remote from the bore inlet 124 defines the lower end or the far end of the overall length of the bore interior to be machined. Since in the ring tool shown the cutting group 220 is flush with the spindle distal end face of the tool body, the ring tool can be practically driven up to the stop on the bottom of the hole or, in through holes, to the stop on the top of the workpiece holder. In practice, however, a small distance of a few millimeters, for example 1 to 2 mm, is generally complied with. During the insertion operation, the work spindle can be rotated slowly, but this is not absolutely necessary.
  • an expanding operation may begin.
  • the honing tool is rotated about its tool axis, and at the same time, by driving the cutting-material-infeed system, the cutting group is slowly expanded, so that the effective outer diameter of the cutting group gradually increases.
  • the hole in the remote end portion not already to the desired position of the bore axis is centered and has a circular cross-section, in a certain phase of the pand michsoperation first a one-sided material engagement, ie an abrasive machining in the partial section in that region of the bore inner surface take place, which is radially closest to the desired position of the bore axis.
  • the partial section is gradually in a full cut, in which over the entire circumference of the cutting group material is removed.
  • the radial delivery of the cutting material body to the outside is continued until the cutting material body reach a predefined first radial position (FIG. 3C). Thereafter, the further delivery is stopped by the control device. Due to the removal of material over the circumference of the cutting group in conjunction with the radial feed, a cylindrical extension 121 is produced in the expansion operation by material-removing engagement of cutting bodies on the inside of the bore in the end region 123 of the bore, which is usually within the tolerances is exactly centered to the desired position of the bore axis. If the hole is not precisely positioned, the cylindrical extension will still be decentered from the current hole axis.
  • the excess of the enlargement with respect to the hole section adjoining the bore is generally at least 100 ⁇ m in relation to the diameter. Usually the values are higher, e.g. at 200 ⁇ or more or at 400 ⁇ or more.
  • the honing tool remains at the set axial position during the expansion operation, so that no lifting movement is superimposed.
  • the lifting drive of the work spindle is actuated at least in phases during the expansion operation in order to superimpose an axially short-stroke oscillatory movement on the rotational movement of the honing tool during radial expansion.
  • the axial length of the cylindrical extension produced would then be somewhat larger than with only radial expansion without superimposed lifting movement.
  • the honing tool is relieved in a relieving operation which returns the cutting material bodies to a second radial position by a specific return amount of, for example, 10 to 15 ⁇ m become.
  • a specific return amount of, for example, 10 to 15 ⁇ m
  • a pulling operation (FIG. 3D) is initiated in which the rotationally driven honing tool is slowly pulled out of the bore in the direction of the bore entry at a suitable lifting speed.
  • the full-length bore is centered with respect to the desired position of the bore axis.
  • the angularity of the bore is properly adjusted so that the bore axis is e.g. oriented perpendicular to the top surface.
  • the lifting speeds are typically in the range between 0.3 m / s and 0.7 m / s, but they may also be smaller, for example, down to 0.1 m / s, or but larger, to over 1 m / s, for example up to about 2 m / s.
  • At least one further honing operation is then carried out by means of a conventional expandable honing tool 300, which is simply or multiply hinged to the work spindle and has relatively long honing stones 320 whose length may be more than 30% of the length of the bore (FIG. 3F).
  • a conventional expandable honing tool 300 which is simply or multiply hinged to the work spindle and has relatively long honing stones 320 whose length may be more than 30% of the length of the bore (FIG. 3F).
  • the process can be performed with vertical axial direction as shown. Even a horizontal machining is possible.
  • the hole can, as shown, be uncoated, so that directly the base material of the workpiece is removed. A machining of coated holes is also possible, in which case the material of the coating would be removed.
  • An annular tool may optionally have a separately deliverable further ring with cutting material bodies in addition to the spindle-distal ring.
  • a fine boring tool for a similar material-removing, position-correcting finishing method instead of a ring tool configured for honing, which has at least one controllable cutting element with a geometrically determined cutting edge (instead of an annular cutting group with geometrically indefinite cutting edges) ) having.
  • at least one pair of diametrically opposed controllable cutting elements may be present. The method steps: inserting the fine boring tool, expanding or retracting the cutting element while rotating to produce a cylindrical extension, pulling out with extended cutting element with simultaneous rotation could be carried out analogously to the procedure described.

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Abstract

Bei einem Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung (122) in einem Werkstück (120) mittels mindestens einer Honoperation wird bei einer Honoperation ein aufweitbares Honwerkzeug verwendet, welches in einem spindelfernen Endbereich eines Werkzeugkörpers eine aufweitbare ringförmige Schneidgruppe (220) mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern aufweist, deren axiale Länge kleiner als der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern ist. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: Starres Ankoppeln des Honwerkzeugs an eine Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine; Relative Positionierung des Honwerkzeugs und der Bohrung so, dass eine Werkzeugachse (212) des Honwerkzeugs koaxial mit einer Soll-Position (SB) der Bohrungsachse der Bohrung ist; Einführen des Honwerkzeugs in die Bohrung mit zurückgezogenen Schneidstoffkörpern bis in eine Einfuhr-Endposition, in welcher sich die Schneidgruppe in einem eintrittsfernen Endbereich (123) der zu bearbeitenden Länge der Bohrung befindet; Drehen des Honwerkzeugs und gleichzeitiges Expandieren der Schneidgruppe an oder im Bereich der Einfuhr-Endposition bis in eine erste Radialposition der Schneidstoffkörper derart, dass durch materialabtragenden Eingriff von Schneidstoffkörpern an der Innenseite der Bohrung im Endbereich der Bohrung eine im Wesentlichen zu der Soll-Position der Bohrungsachse zentrierte zylindrische Erweiterung (121) der Bohrung erzeugt wird; Herausziehen des Honwerkzeugs aus der Bohrung bei gleichzeitiger Drehung des Honwerkzeugs derart, dass die Bohrung ausgehend von der zylindrischen Erweiterung sukzessive in Richtung der Eintrittsseite erweitert wird.

Description

Honverfahren zur Feinbearbeitung von Bohrungen
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung bezieht sich auf ein Honverfahren zur Feinbearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 .
Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Bearbeitung von im Wesentlichen zylindrischen Gleitlagerflächen in Bauteilen für den Motorenbau, insbesondere die Bearbeitung von Zylinderlaufflächen eines Motorblocks oder die Bearbeitung von Pleuelaugen in Pleueln.
Das klassische Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem ein vielschneidiges Honwerkzeug eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführt, die zu einer charakteristischen Oberflächenstruktur der bearbeiteten Innenfläche führt. Meist, aber nicht immer, wird dabei eine Oberflächenstruktur mit überkreuzten Bearbeitungsspuren (Kreuzschliff) angestrebt. Die Arbeitsbewegung des Honwerkzeugs im Werkstück besteht in der Regel aus einer axial hin und hergehenden Hubbewegung und einer dieser überlagerten Drehbewegung. Durch Honen sind endbearbeitete Oberflächen herstellbar, die extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen sowie hinsichtlich der Oberflächenstruktur genügen. Dementsprechend werden beispielsweise beim Motorenbau Zylinderlaufflächen, d.h. Innenflächen von Zylinderbohrungen in einem Motorblock oder in einer in einen Motorblock einzubauenden Zylinderhülse, Lagerflächen für Wellen und die zylindrischen Innenflächen in Pleuelaugen einer Honbearbeitung unterzogen.
Toleranzen verlangen, dass Bohrungen eine bestimmte Position in einem werkstückbezogenen Koordinatensystem aufweisen. Der Begriff „Position" bezeichnet hier eine dreidimensionale Position der Bohrungen, d.h. sowohl die örtliche Lage einer Bohrung als auch die Winkellage bzw. die Orientierung der Bohrung im Koordinatensystem des Werkstücks. Die Position der Bohrung kann z.B. durch die Position der Bohrungsachse repräsentiert sein.
Einige der dem Honen vorgeschalteten Prozesse schaffen in der Regel Bohrungen, deren Position nicht mit der Soll-Position übereinstimmt. Aufgabe nachgelagerter Bearbeitungsoperationen ist es dann, die Position der Bohrung hin zur Soll-Position zu korrigieren Zur Vorbereitung der zu bearbeitenden Werkstücke für das Honen ist dem Honen häufig eine Vorbearbeitung durch Feinbohren (auch Feindrehen oder Feinspindeln genannt) vorgeschaltet, also eine spanabtragende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide. Das Feinbohren kann als positionskorrigierende bzw. positionsbestimmende Feinbohroperationen dazu ausgelegt sein, die gewünschte Position der Bohrung festzulegen. Damit kann in nachfolgenden Honoperationen mit einem kardanisch oder auf andere Weise begrenzt beweglich gelagerten Honwerkzeug der durch die Feinbohroperation festgelegten Bohrungsachse nachgefahren werden, ohne die Position noch zu verändern. Eine wesentliche Aufgabe der Honoperation ist dann die Erzeugung der geforderten Oberflächenrauheit, der Zylinderform und des Durchmessers.
Es gibt auch Vorschläge, die Position der Bohrung durch Honen zu verlagern und dadurch einzustellen. Aus dem Patent DE 103 48 419 C5 ist ein Honverfahren zum Schrupphonen der Mantelfläche einer Bohrung im Partialschnitt durch ein Honwerkzeug mit Honleisten an einer fliegend gelagerten Arbeitsspindel bekannt. Der Begriff "Schrupphonen" steht hier für eine Honbearbeitung mit relativ starkem Materialabtrag. Das Honwerkzeug wird mit seiner Längsachse an der Soll-Position der Bohrung positioniert und zentrisch zur Soll-Position der Bohrung in die Bohrung eingeführt. Die Längsachse der Arbeitsspindel liegt also bei Versatz zur Längsachse der Bohrung vor dem Honen exzentrisch zur Bohrung. Während der Honoperation wird der Materialabtrag in der Bohrung derart ausgeführt, dass eine Verschiebung der Längsachse der Bohrung erfolgt, bis eine gegebenenfalls aufgetretene Auslenkung eliminiert ist und die Längsachse der fertigen Bohrung mit der Längsachse der Arbeitsspindel koaxial ist. Danach wird in der koaxialen Lage der Längsachsen die Mantelfläche durch Schrupphonen im Vollschnitt gleichmäßig gehont. Um die Steifigkeit der Anordnung zu erhöhen, wird eine Schlitteneinheit für einen bestimmten Abschnitt des Verfahrens mit der Arbeitsspindel in Längsrichtung der Arbeitsspindel derart arretiert, dass die Hubbewegung des Honwerkzeugs von der Schlitteneinheit ausgeführt wird, so dass die Arbeitsspindel von der Schlitteneinheit alternierend bezüglich ihrer Längsachse bewegt wird.
Die Positionsverlagerung der Bohrungsachse wird hier über eine mehr oder weniger starre bzw. steife Auslegung von Honmaschine, Spindel und Honwerkzeug bewirkt. Die gewünschte Soll- Position wird genau angefahren, die Steifigkeit in Honmaschine, Arbeitsspindel und Honwerkzeug bewirkt, dass sich während des Bearbeitungsvorgangs die Bohrungsposition der Werkzeugposition und damit der Soll-Position annähert.
Die DE 10 2010 010 901 A1 beschreibt Honverfahren zur Honbearbeitung von Kurbelwellenla- gerbohrungen. Dabei wird eine Honoperation mit starkem Materialabtrag als achslagenkorrigie- rende Honoperation derart durchgeführt, dass durch die Honoperation eine Verlagerung der Bohrungsachse in Richtung der Soll-Position erfolgt. Das Honwerkzeug wird dazu mit Abstand von der Kupplungsstelle zur Arbeitsspindel in radialer Richtung abgestützt, wobei sich zwischen der Abstützstelle und der Kupplung zur Antriebsstange mindestens eine Schneidgruppe des Honwerkzeugs befindet.
Die genannten konventionellen Verfahren zur Korrektur der Bohrungsposition mittels Honen erfordern erheblichen Aufwand bei der Konstruktion der Bearbeitungsmaschine und/oder des Honwerkzeugs, um diese ausreichend stabil gegen beim Honen auftretende Querkräfte zu machen. Die Werkstücke können bei der Bearbeitung erheblichen Kräften ausgesetzt sein.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Honverfahren zur Feinbearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück bereitzustellen, das es erlaubt, bei relativ geringem konstruktiven Aufwand bei der Konstruktion der Bearbeitungsmaschine und/oder des Honwerkzeugs ein Bohrung so zu bearbeiten, dass bei Bedarf mittels Honen eine Korrektur der Bohrungsposition erzielt werden kann. Insbesondere soll eine positionskorrigierende Bearbeitung von relativ labilen Werkstücken ohne bleibende Deformation der Werkstücke ermöglicht werden.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung ein Honverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Das Honverfahren umfasst eine Honoperation, bei der ein aufweitbares Honwerkzeug verwendet wird, welches in einem spindelfernen Endbereich eines Werkzeugkörpers eine aufweitbare, ringförmige Schneidgruppe mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern aufweist, wobei eine axiale Länge der Schneidstoffkörper kleiner ist als der wirksame Außendurchmesser der ringförmigen Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern. Ein solches Honwerkzeug wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als„Ringwerkzeug" bezeichnet.
Das Honwerkzeug wird starr an eine Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine angekoppelt, wobei die Ankopplung direkt oder unter Zwischenschaltung einer starren Antriebsstange erfolgen kann. Die Ankopplung erfolgt dabei so, dass die Werkzeugachse (Längsmittelachse, Rotationsachse) koaxial zur Spindelachse der Arbeitsspindel verläuft. Durch die starre Ankopplung bleibt diese Orientierung auch bei Einwirkung von Querkräften auf das Honwerkzeug erhalten. Das Honwerkzeug und die Bohrung werden relativ zueinander so positioniert, dass die Werkzeugachse des Honwerkzeugs koaxial mit der Soll-Position der Bohrungsachse der Bohrung liegt. Dies kann durch Querbewegungen der Arbeitsspindel in einer Ebene senkrecht zur Spindelachse und/oder durch Querbewegungen des die Bohrung enthaltenden Werkstücks in einer Ebene senkrecht zur Bohrungsachse erfolgen.
In einer Einführoperation wird das Honwerkzeug in die Bohrung mit teilweise oder ganz zurückgezogenen Schneidstoffkörpern bis in eine Einfuhr-Endposition eingeführt, in welcher sich die Schneidgruppe in einem eintrittsfernen Endbereich der zu bearbeitenden Länge der Bohrung befindet. Die Schneidstoffkörper werden dabei so weit zurückgezogen, dass sie beim Einführen an keiner Stelle die Bohrungsinnenwand berühren. Die relative Positionierung des Honwerkzeugs in Bezug auf die Bohrung kann zeitlich vor oder nach der Einführoperation oder auch zeitlich überlappend damit erfolgen.
Am Ende der Einführoperation befindet sich die axial relativ schmale ringförmige Schneidgruppe in dem eintrittsfernen Endbereich, der beispielsweise bei einer Sacklochbohrung unmittelbar oder mit nur geringem axialen Abstand in der Nähe des Bohrungsgrundes liegen kann.
In einer nachfolgenden Expandierungsoperation bzw. Aufweitoperation wird das Honwerkzeug um seine Werkzeugachse gedreht und gleichzeitig wird die ringförmige Schneidgruppe aufgeweitet bzw. expandiert, so dass sich ihr wirksamer Außendurchmesser allmählich vergrößert. Die Aufweitung bzw. Expandierung wird solange fortgeführt, bis die Schneidstoffkörper eine erste Radialposition derart erreichen, dass durch materialabtragenden Eingriff von Schneidstoffkörpern an der Innenseite der Bohrung in dem genannten Endbereich der Bohrung eine im Wesentlichen zur Soll-Position der Bohrungsachse zentrierte zylindrische Erweiterung der Bohrung erzeugt worden ist. Die Schneidstoffkörper graben sich aufgrund der Werkzeugdrehung und der gleichzeitigen Aufweitung (Durchmesservergrößerung) der Schneidgruppe zumindest an einem Teil des Umfangs der zu bearbeitenden Bohrung in die Bohrungswandung ein, so dass die zylindrische Erweiterung entsteht. Da sich das Honwerkzeug bei der Expandierungsoperation koaxial zur Werkzeugachse dreht, welche wiederum am Ort der Soll-Position der Bohrungsachse liegt, wird die zylindrische Erweiterung der Bohrung so erzeugt, dass ihr Zentrum mit der Soll-Position der Bohrungsachse zusammenfällt.
Nach Abschluss der Expandierungsoperation, während der die zylindrische Erweiterung erzeugt wird, erfolgt in einer Zugoperation ein Herausziehen des Honwerkzeugs aus der Bohrung bei gleichzeitiger Drehung des Honwerkzeugs derart, dass die Bohrung ausgehend von der Erweiterung sukzessive in Richtung der Eintrittsseite der Bohrung erweitert wird. Dadurch wird er- reicht, dass die Bohrung nach vollständigem Herausziehen des Honwerkzeugs aus der Bohrung zur Bohrungsachse zentriert ist, also die gewünschte Soll-Position vorliegt.
Bei dieser Verfahrensweise kann somit ausgehend von einer gegebenenfalls nicht zentrierten, nicht richtig orientierten und/oder nicht kreiszylindrisch geformten Bohrungsform vor Beginn der Honoperation eine kreiszylindrische Bohrung erzeugt werden, deren Bohrungsachse genau an der Soll-Position der Bohrungsachse liegt und die gewünschte Winkellage aufweist. Durch die Honoperation kann somit die Position der Bohrung verändert und in Richtung der Soll-Position korrigiert werden.
Abhängig von der Stärke der Abweichung der Bohrungsposition vor Beginn der Honoperation können dabei relativ starke Querkräfte (Kräfte mit Komponenten senkrecht zur Werkzeugachse) zwischen Honwerkzeug und Werkstück bzw. Bohrungswand auftreten und es kann notwendig sein, dass über den Umfang des Honwerkzeugs ungleichmäßig Material abgetragen wird. Diesen Querkräften wirken beim Herausziehen des Honwerkzeugs aus der Bohrung relativ starke Richtkräfte entgegen, die aufgrund der Zugbelastung in Richtung der Soll-Position des Honwerkzeugs wirken, so dass sich das Honwerkzeug bei der Zugoperation selbst zentrieren möchte. Hierdurch kann die Präzision bei der Bohrungszentrierung verbessert werden. Außerdem ist eine weniger steife Maschinenauslegung erforderlich als in denjenigen Fällen, bei denen Honwerkzeuge bei bohrungskorrigierenden Honoperationen unter Materialabtrag von der Eingangsseite in die nicht optimal positionierte Bohrung eingeführt werden. Zudem beginnt der Prozess der Erzeugung der zentrierten Bohrung im Bereich der zylindrischen Erweiterung, also am eintrittsfernen Ende des zu bearbeitenden Bereichs der Bohrung. In diesem Bereich sind Bohrungen häufig an das übrige Material des Werkstücks angebunden, so dass die Bohrung bzw. das Werkstückmaterial in diesem Bereich auch bei labilen Werkstückkonstruktionen beim Erzeugen der zylindrischen Erweiterung nicht ausweichen kann und bleibende Werkstückdeformationen vermieden werden können.
Auch die axial schmale Gestaltung der Schneidgruppe, also ihre relativ zum Außendurchmesser kurze axiale Ausdehnung, trägt dazu bei, dass nur relativ geringe seitliche Auslenkkräfte auftreten und auch nur auf relativ kurze Distanz bzw. nur auf geringer axialer Länge. Die Gestaltung mit ringförmiger Schneidgruppe führt auch dazu, dass bei relativ geringen Andrückkräften große Schneidleistungen erzielt werden können und dass die Wege für die Abfuhr von abgetragenem Material, also von Abrieb, relativ kurz sind. Dadurch kann ein Zusetzen der abrasi- ven Schneidflächen der Schneidkörper durch Abrieb vermieden werden und die Schneidkörper bleiben dauerhaft schneidfreudig. Durch die kurze Bauweise ist auch eine bessere Kühlschmierstoffversorgung als bei längeren Honleisten möglich, wodurch wiederum die Möglichkeit geschaffen wird, das Honwerkzeug für den Materialabtrag mit relativ hohen Drehzahlen zu betreiben, so dass mehr Abtrag bei geringeren Schnittkräften erzielt werden kann.
Eine ringförmige Schneidgruppe zeichnet sich im Vergleich zu konventionellen Honleisten unter anderem 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 mit relativ schmalen Honleisten. Bei manchen Ausführungsformen sind an der ringförmigen Schneidgruppe mehr als 60% des Umfangs mit Schneidmittel belegt, insbesondere sogar mehr als 70% oder mehr als 80% des Umfangs der Schneidgruppe.
Die axiale Länge der Schneidstoffkörper kann beispielsweise bei weniger als 30% des wirksamen Außendurchmessers des Honwerkzeugs liegen, insbesondere zwischen 10% und 20% dieses Außendurchmessers. Bei Honwerkzeugen für die Bearbeitung typischer Zylinderbohrungen in Motorblöcken für PKW oder LKW kann die axiale Länge zum Beispiel im Bereich von 5 mm bis 20 mm liegen. Bezogen auf die Bohrungslänge einer zu bearbeitenden Bohrung kann die axiale Länge beispielsweise bei weniger als 10% dieser Bohrungslänge liegen.
Vorzugsweise werden Honwerkzeuge verwendet, bei denen die Schneidstoffkörper als in Um- fangsrichtung breite und in Axialrichtung schmale Honsegmente gestaltet sind, wobei eine in Axialrichtung gemessene axiale Länge der Honsegmente kleiner als die in Umfangsrichtung gemessene Breite ist. Ein Honsegment ist in der Regel in sich starr, so dass das gesamte Honsegment als Ganzes beim Zustellen bewegt wird. Ein Honsegment kann eine ununterbrochene Schneidfläche definieren, die Schneidfläche kann ggf. aber auch einmal oder mehrfach unterbrochen sein.
Wenn mindestens drei Honsegmente vorgesehen sind, so können die Bearbeitungskräfte über den gesamten durch Expandierung verfügbaren wirksamen Außendurchmesser des Honwerkzeugs gut und relativ gleichmäßig über den Umfang der Schneidgruppe verteilt werden. Es können zum Beispiel in der 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. In manchen Fällen kann es gegebenenfalls auch ausreichen, wenn das Honwerkzeug nur zwei Honsegmente hat.
Vorzugsweise ist das Honwerkzeug so konstruiert, dass die Schneidstoffkörper radial zugestellt werden können, so dass die Schneidstoffkörper beispielsweise beim Expandieren der Schneid- gruppe radial (senkrecht zur Werkzeugachse) zugestellt werden. Durch die radiale Zustellbar- keit, d.h. eine 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 ein ungleichmäßiger Verschleiß vermieden werden.
Bei manchen Ausführungsformen bilden die Schneidstoffkörper eine keilförmige Schneidfläche, wobei eine Umfangsbreite der Schneidfläche an einer spindelnahen Seite breiter ist als an einer spindelfernen Seite. Die Schneidstoffkörper sind also an derjenigen Seite, die beim Herausziehen des Honwerkzeugs zuerst in das zu beseitigende Material eingreift, breiter ausgebildet, wodurch in gewissem Umfang einem notwendigerweise ungleichmäßigen Verschleiß entgegengewirkt werden kann.
Für eine positionskorrigierende Wirkung des Honverfahrens ist es in der Regel sinnvoll, wenn die Erweiterung so erzeugt wird, dass ein Durchmesserunterschied zwischen der zylindrischen Erweiterung und einem anschließenden, (noch) nicht erweiternden Bohrungsabschnitt nach der Erzeugung der zylindrischen Erweiterung bzw. vor Beginn der Zugoperation mindestens 100 μηη beträgt. Vorzugsweise beträgt der Durchmesserunterschied mindestens 200 μηη, wobei er beispielsweise zwischen 200 μηη und 500 μηη liegen kann. Bei einer Zugoperation kann also ein erhebliches Aufmaß im Bereich von einem oder mehreren Zehntel Millimeter (bezogen auf den Durchmesser) in einem Aufwärtshub, d.h. einem Hub in Richtung Eintrittsöffnung, abgetragen werden. Es können ggf. auch grobe Positionsfehler der Bohrung korrigiert werden.
Damit sich das Honwerkzeug vor Beginn der Zugoperation weitgehend ohne äußere Querkräfte selbst zur Soll-Position der Bohrung zentrieren kann, ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, dass nach der Erzeugung der zylindrischen Erweiterung vor Beginn des Herausziehens eine Entlastungsoperation zur Entlastung des Honwerkzeugs durchgeführt wird. Vorzugsweise werden bei der Entlastungsoperation die Schneidstoffkörper ausgehend von der ersten Radialposition um einen vorgebbaren Rückstellbetrag in eine zweite Radialposition zurückgestellt, wobei der Rückstellbetrag beispielsweise zwischen 10 μηη und 15 μηη betragen kann. Dabei können sich die radial außen liegenden Schneidflächen der Schneidstoffkörper ggf. vom unmittelbaren Eingriff mit der Innenseite der zylindrischen Erweiterung lösen, so dass sich das Honwerkzeug aufgrund von eventuellen Restelastizitäten auf der Antriebsseite (Arbeitsspindel, gegebenenfalls Antriebsstange) selbst in die zentrische Position bewegen kann, von der aus dann die nachfolgende Zugoperation beginnt. Alternativ oder zusätzlich wäre eine Entlastung auch dadurch erzielbar, dass das Honwerkzeug noch wenige Mikrometer axial eingeführt wird. Bei manchen Verfahrensvarianten wird das Honwerkzeug während der Expandierungsoperation lediglich aufgeweitet und die Schneidgruppe verbleibt an der Einfuhr-Endposition, ohne axial bewegt zu werden. Bei anderen Verfahrensvarianten wird während des Expandierens der Schneidgruppe zur Erzeugung der Erweiterung der Drehung des Honwerkzeugs mindestens phasenweise eine kurzhubige Axialoszillationsbewegung überlagert. Hierdurch kann der Materialabtrag noch verstärkt werden. Kurze Hublängen, beispielsweise im Bereich von 2 mm bis 3 mm, reichen in der Regel hierfür aus.
Bei der Expandierungsoperation, welche zur Erzeugung der zylindrischen Erweiterung führt, wird in der Regel mit relativ hohen Werkzeugdrehzahlen von mehreren Hundert min"1 gearbeitet, insbesondere bei Drehzahlen von 500 min"1 oder mehr, beispielsweise im Bereich zwischen 500 und 2000 min"1. Hohe Drehzahlen sind in der Regel förderlich, um bei relativ geringen Schnittkräften trotzdem hohe Materialabträge pro Zeiteinheit zu erzielen.
Um beim Herausziehen des Honwerkzeugs hinreichenden Materialabtrag zu erzielen, ohne die Taktzeiten des Prozesses zu stark zu verlängern, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn beim Herausziehen des Honwerkzeugs mit einer Hubgeschwindigkeit im Bereich von 0.1 m/s bis zu 2 m/s gearbeitet wird, insbesondere im Bereich von 0.3 m/s bis 0.7 m/s. Optimale Werte innerhalb dieser Bereiche können durch wenige Versuche abhängig vom Material, von den Schneidmitteln und ggf. anderen Parametern ermittelt werden. Bei manchen Materialien kann es auch sein, dass kleinere Hubgeschwindigkeiten nötig oder größere Hubgeschwindigkeiten möglich sind.
Bei den meisten Verfahrensvarianten werden Honwerkzeuge verwendet, bei denen die Schneidstoffkörper Schneidkörner mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 50 μηι bis 250 μηι aufweisen. Bei Korngrößen in diesem Bereich ist in der Regel ein ausreichend effizienter Materialabtrag möglich, wobei gleichzeitig die nach dem Herausziehen des Honwerkzeugs resultierenden Oberflächenstrukturen so optimiert sind, dass nachfolgende Bearbeitungsstufen, insbesondere durch Honen, nur noch einen geringen Materialabtrag leisten müssen.
Bei manchen Verfahrensvarianten wird in einer der positionskorrigierenden Honoperation folgenden weiteren Honoperation ein aufweitbares Honwerkzeug mit relativ langen Honleisten verwendet, deren Länge deutlich größer als deren Breite in Umfangsrichtung ist. Es kann sich um ein konventionelles Langhub-Honwerkzeug handeln. Die Länge der Honleisten kann z.B. mehr als 30% oder mehr als 40% der Länge der Bohrung betragen. Hierdurch kann bei Bedarf nach der Positionskorrektur noch mittels Honen die Zylinderform der Bohrung verbessert werden. Bei der Bearbeitungsmaschine kann es sich um eine speziell für Honverfahren eingerichtete Honmaschine handeln, ggf. aber auch um eine andere geeignet ausgerüstete Werkzeugmaschine, beispielsweise ein Bearbeitungszentrum oder eine Schleifmaschine. Das zu bearbeitende Werkstück wird durch eine Werkstückhaltevorrichtung der Bearbeitungsmaschine aufgenommen und gehalten.
Um das Honwerkzeug für eine Honoperation in seine Arbeitsbewegung zu versetzen, wird die Arbeitsspindel mittels eines Drehantriebs um die zugehörige Spindelachse gedreht. Die der Drehung überlagerte axiale Hubbewegung relativ zum bearbeiteten Werkstück kann auf unterschiedliche Weisen erzeugt werden. In vielen Fällen bewegt sich das Werkstück bei der Bearbeitung in axialer Richtung nicht, während die Drehbewegung und die Hubbewegung durch entsprechende Drehung und Hubbewegung der Arbeitsspindel der Bearbeitungsmaschine erzeugt und auf das Honwerkzeug übertragen werden (axial ruhendes Werkstück). Es ist auch möglich, die Hubbewegung durch eine translatorische Bewegung des Werkstücks bei axial ruhender Arbeitsspindel oder durch eine koordinierte Kombination axialer Bewegungen von Werkstück und Arbeitsspindel herbeizuführen. Die Bearbeitungsmaschine weist hierfür mindestens einen Hubantrieb zur Erzeugung einer axialen Hubbewegung der Arbeitsspindel und/oder der Werkstückhaltevorrichtung parallel zu der Spindelachse auf.
Das in dieser Anmeldung beschriebene Honwerkzeug und seine beschriebenen Varianten können für sich genommen, d.h. unabhängig vom Verfahren, schutzfähig sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Teils einer mehrachsigen Bearbeitungsmaschine in Form einer Honmaschine bei der Durchführung einer Ausführungsform des Honverfahrens;
Fig. 2 in Fig. 2A einen axialen Schnitt und in Fig. 2B einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Honwerkzeugs mit einer ringförmigen Schneidgruppe;
Fig. 3 verschiedene Phasen einer positionskorrigierenden Honoperation. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Teils einer NC-gesteuerten, mehrachsigen Bearbeitungsmaschine 100 in Form einer Honmaschine 100 in Richtung parallel zur x-Richtung des Maschinenkoordinatensystems MKS gezeigt. Die Honmaschine hat mehrere in x-Richtung nebeneinander angeordnete und gleichzeitig betreibbare Honeinheiten. In Fig. 1 sind einige Komponenten einer Honeinheit 1 10 dargestellt. Eine Steuereinrichtung 1 15 steuert Arbeitsbewegungen beweglicher Komponenten der Honmaschine.
Die Honmaschine ist zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken für Brennkraftmaschinen eingerichtet. Ein aktuell zu bearbeitendes Werkstück 120 ist auf einer Werkstückhaltevorrichtung 125 fest aufgespannt. Die Position des Werkstücks auf der Werkstückhaltevorrichtung ist mittels Indexierelementen 126 vorgegeben, so dass ein definierter Bezug zwischen dem Werkstückkoordinatensystem WKS und dem Maschinenkoordinatensystem MKS existiert. Die Werkstückhalteeinrichtung weist einem horizontal verfahrbaren Schlitten 127 auf, der mittels eines über die Steuereinrichtung 1 15 ansteuerbaren Antriebs 128 parallel zur y-Richtung des Maschinenkoordinatensystems MKS verfahren werden kann.
Das Werkstück ist im Beispielsfall ein Zylinderkurbelgehäuse eines 4-Zylinder-Reihenmotors mit vier achsparallelen Zylinderbohrungen. Die als nächstes zu bearbeitende Bohrung 122 ist zu erkennen, die anderen Bohrungen liegen in x-Richtung versetzt.
Die Honeinheit 1 10 ist an der Vorderseite einer auf dem Maschinenbett der Honmaschine aufgebauten vertikalen Trägerkonstruktion 105 angebracht. Die Honeinheit umfasst einen Spindelkasten 135, der als Lagerung für die Arbeitsspindel 130 dient, die mit vertikaler Spindelachse 132 im Spindelkasten geführt ist. Die Drehung der Arbeitsspindel um die Spindelachse wird durch einen nicht dargestellten Drehantrieb bewirkt, der am Spindelkasten angebracht ist und z.B. über einen Kettentrieb auf die Arbeitsspindel wirkt. Ein mit dem Spindelkasten konstruktiv verbundener Hubantrieb bewirkt die parallel zur Spindelachse 132 verlaufenden Vertikalbewegungen der Arbeitsspindel beim Einführen des später noch erläuterten Honwerkzeugs 200 in die zu bearbeitende Bohrung bzw. beim Herausziehen des Honwerkzeugs aus dieser Bohrung. Außerdem kann der Hubantrieb während der Honbearbeitung durch die Steuereinrichtung 1 15 so angesteuert werden, dass das Honwerkzeug innerhalb der Bohrung des Werkstücks eine vertikale Hin- und Herbewegung entsprechend der gewünschten Honparameter ausführt.
Das Honwerkzeug 200 ist im Beispielsfall starr an das freie Ende der Arbeitsspindel 130 gekoppelt. Zur Herstellung der starren, aber lösbaren Verbindung zwischen Arbeitsspindel und Hon- Werkzeug kann z.B. eine entsprechend gesicherte Bajonettverbindung, eine Schraubverbindung, eine Flanschverbindung oder eine Kegelverbindung, z.B. mit Hohlschaftkegel (HSK), vorgesehen sein. Weder in der Arbeitsspindel noch im Honwerkzeug ist ein Gelenk vorgesehen. Die zentrale Werkzeugachse 212 des Honwerkzeugs verläuft im unbelasteten Zustand, d.h. in Abwesenheit von auf das Honwerkzeug wirkenden Querkräften, koaxial mit der Spindelachse 132 im Bereich ihrer Lagerung im Spindelkasten.
Die Honeinheit 1 10 mit der darin enthaltenen vertikalen Arbeitsspindelspindel 130 ist als Ganzes in horizontaler Richtung parallel zur x-Achse des Maschinenkoordinatensystems MKS, also senkrecht zur Spindelachse in einer Querrichtung linear verfahrbar. Dadurch ist es u.a. möglich, ohne Verlagerung des Werkstücks an einem Werkstück zunächst eine erste Bohrung zu bearbeiten, die Arbeitsspindel dann zurückzuziehen, die Honeinheit als Ganzes in einer Querbewegung parallel zur x-Richtung zu verfahren und etwa koaxial zu einer danach zu bearbeitenden zweiten Bohrung zu positionieren, um mit der gleichen Honeinheit die zweite Bohrung zu bearbeiten. Horizontale Querbewegungen in x-Richtung können auch dazu benutzt werden, die Honeinheit zu einem in Linie mit der Querbewegung angeordneten Werkzeugwechsler zu verfahren. Um die horizontale Querbewegung zu ermöglichen, ist der Spindelkasten auf einem horizontal verfahrbaren Schlitten 1 14 montiert, der auf zwei horizontalen Führungsschienen an der dem Spindelkasten zugewandten Vorderseite der Trägerstruktur 105 linear geführt ist. Die Querbewegung wird durch einen Positionierantrieb 1 18 bewirkt, der zwischen der Trägerkonstruktion und dem Schlitten 1 14 angeordnet ist.
Bei der nachfolgend näher beschriebenen Honoperation wird ein Honwerkzeug 200 besonderer Konstruktion verwendet wird, welches in dieser Anmeldung auch als„Ringwerkzeug" bezeichnet wird (vgl. Auch Fig. 2). Das Honwerkzeug hat eine ringförmig am Werkzeugkörper 210 angebrachte Schneidgruppe 220 mit um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern 220-1 bis 220-3, 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 abrasiven Schneidstoffkörper sind in einer axial relativ schmalen Zone (ringförmige Schneidgruppe) konzentriert und nehmen einen relativ großen Anteil des Umfangs des Honwerkzeugs ein.
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 starren Ankoppeln des Ringwerkzeuges an eine Antriebsstange oder eine Arbeitsspindel 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, d.h. die Schneidflächen, 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 1 15° 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.
Ein bündiger Abschluss mit dem unteren Ende des Werkzeugkörpers ist günstig, aber nicht zwingend. Im Allgemeinen sollte der Ring im spindelfernen Drittel oder im spindelfernen Viertel des Werkzeugkörpers sitzen, es kann ein geringer Abstand zur Stirnseite des Werkzeugkörpers vorliegen.
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%, insbesondere zwischen 10% und 20% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe bei maximal nach innen zurückgezogenen Schneidstoffkörpern entspricht. Das Honwerkzeug hat nur diese eine ringförmige Schneidgruppe. Die axiale Länge LHS entspricht daher 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.
Ein Honsegment kann, wie gezeigt, an seiner Außenseite eine durchgängige, ununterbrochene Schneidfläche haben. Dazu kann der Schneidbelag aus einem einzigen Stück des Schneidmittels bestehen. Es ist auch möglich, dass mehrere (z. B. zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr) jeweils relativ schmale Schneidstoffkörper eng benachbart mit oder ohne gegenseitigen Abstand an der bogenförmig gekrümmten Außenseite eines gemeinsamen Trägerelements angebracht sind. Die Schneidfläche wäre dann unterbrochen, was ggf. für die Kühlschmierstoffversorgung günstig sein kann.
Die Nutzung von relativ breiten Honsegmenten in der ringförmigen Schneidgruppe kann u.a. bei der Bearbeitung von Bohrungen günstig sein, die z.B. zum Zwecke des Gasaustauschs Querbohrungen aufweisen, die an der zu bearbeitenden Bohrungsinnenfläche münden. Breite, in sich starre Honsegmente können den Mündungsbereich überbrücken, so dass das Honwerkzeug nicht„hängenbleiben" kann. Wenn nur wenige (z.B. drei) breite Honsegmente vorgesehen sind, müssen am Werkzeugkörper auch nur wenige radiale Durchbrechungen vorgesehen sein, so dass sich eine verbesserte mechanische Stabilität ergibt, die gerade bei einer positionskorri- gierenden Bearbeitung günstig ist, um Querkräften standzuhalten.
Dieses Maschinen- und Werkzeugkonzept ermöglicht eine positionskorrigierende materialabtragende Bearbeitung der Innenfläche der Bohrung 122, um mittels Honen die Bohrungsposition im Rahmen der Toleranzen in ihre Soll-Position zu bringen.
Eine Ausführungsform eines geeigneten Verfahrens wird anhand von Fig. 3 näher erläutert. Fig. 3 zeigt hierzu verschiedene Phasen bzw. verschiedene Teiloperationen einer positionskorrigie- renden Honoperation. Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, befindet sich die Bohrung 122 nach den vorhergehenden Bearbeitungsschritten noch nicht an ihrer gewünschten Soll-Position, welche im Beispielsfall durch die Soll-Position SB der Bohrungsachse repräsentiert ist. Vielmehr zeigt die Bohrung 122 noch einen lateralen Versatz zur Soll-Position, wobei die Ist-Position der Bohrung (charakterisiert durch die aktuelle Bohrungsachse IB) außerhalb der Toleranzen neben der Soll-Position liegt. Außerdem zeigt die Bohrungsinnenfläche noch nicht die für die bestimmungsgemäße Verwendung vorgesehene Oberflächenstruktur, die ebenfalls durch Honen noch zu erzeugen ist.
Zunächst wird in einer Positionierungsoperation das Honwerkzeug relativ zur Bohrung so positioniert, das die Werkzeugachse 212 koaxial zur Soll-Position SP der Bohrung liegt. Hierzu wird bei Bedarf der Werkstückträger 127 parallel zur y-Richtung des Maschinenkoordinatensystems und/oder der Spindelkasten bzw. die Arbeitsspindel parallel zur x-Richtung des Maschinenkoordinatensystems horizontal verfahren. Die durch die Positionierungsoperation eingestellte koaxiale Position ist in Fig. 1 und Fig. 3A schematisch dargestellt.
Vorher, nachher oder gleichzeitig mit der Positionierung wird die Zustellstange des Schneidstoffkörper-Zustellsystems nach oben bewegt, bis die Schneidstoffkörper ihre maximal nach innen zurückgezogene Position einnehmen, wodurch der Außendurchmesser der ringförmigen Schneidgruppe seinen kleinsten Wert einnimmt. Das Honwerkzeug passt dann beim vertikalen Verfahren ohne Berührung der Bohrungswände in die Bohrung hinein.
Danach wird das Honwerkzeug durch Betätigung des Hubantriebs der Arbeitsspindel in die Bohrung 122 eingeführt und so weit abgesenkt, bis das Honwerkzeug eine Einfuhr-Endposition erreicht, in welcher die ringförmige Schneidgruppe 220 sich in einem eintrittsfernen Endbereich 123 der Bohrung 122 befindet (Fig. 3B). Der vom Bohrungseintritt 124 entfernt liegende Endbereich definiert das untere Ende bzw. das ferne Ende der insgesamt zu bearbeitenden Länge der Bohrungsinnenseite. Da bei dem gezeigten Ringwerkzeug die Schneidgruppe 220 bündig mit der spindelfernen Stirnseite des Werkzeugkörpers ist, kann das Ringwerkzeug praktisch bis auf Anschlag an den Bohrungsgrund oder, bei Durchgangsbohrungen, bis auf Anschlag an die Oberseite der Werkstückhalterung gefahren werden. In der Praxis wird jedoch in der Regel ein geringer Abstand von wenigen Millimetern, beispielsweise 1 bis 2 mm, eingehalten. Während der Einfuhroperation kann die Arbeitsspindel langsam gedreht werden, dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Wenn sich das Honwerkzeug in der Einfuhr-Endposition befindet, kann die nachfolgende Teiloperation, nämlich eine Expandierungsoperation, beginnen. Bei der Expandierungsoperation (Fig. 3C) wird das Honwerkzeug um seine Werkzeugachse gedreht und gleichzeitig wird durch Ansteuerung des Schneidstoffkörper-Zustellsystems die Schneidgruppe langsam expandiert, so dass sich der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe allmählich vergrößert. Wenn die Bohrung im eintrittsfernen Endbereich nicht bereits zur Soll-Position der Bohrungsachse zentriert ist und einen kreisförmigen Querschnitt hat, wird in einer bestimmten Phase der Ex- pandierungsoperation zunächst ein einseitiger Materialeingriff, also eine abrasive Bearbeitung im Partialschnitt in demjenigen Bereich der Bohrungsinnenfläche erfolgen, welcher radial am nächsten zur Soll-Position der Bohrungsachse liegt. Mit zunehmendem wirksamen Außendurchmesser der Schneidgruppe geht dann der Partialschnitt allmählich in einen Vollschnitt über, bei welchem über den gesamten Umfang der Schneidgruppe Material abgetragen wird.
Die radiale Zustellung der Schneidstoffkörper nach außen wird solange fortgeführt, bis die Schneidstoffkörper eine vorab definierte erste Radialposition erreichen (Fig. 3C). Danach wird die weitere Zustellung durch die Steuereinrichtung gestoppt. Durch den Materialabtrag über den Umfang der Schneidgruppe in Verbindung mit der radialen Zustellung wird bei der Expandie- rungsoperation durch materialabtragenden Eingriff von Schneidstoffkörpern an der Innenseite der Bohrung in dem Endbereich 123 der Bohrung eine zylindrische Erweiterung 121 erzeugt, die in der Regel im Rahmen der Toleranzen exakt zur Soll-Position der Bohrungsachse zentriert ist. Bei einer nicht exakt positionierten Bohrung wird die zylindrische Erweiterung zur aktuellen Bohrungsachse noch dezentriert liegen. Das Übermaß der Erweiterung gegenüber dem zum Bohrungseintritt anschließenden Bohrungsabschnitt liegt in der Regel bei mindestens 100 μηι bezogen auf den Durchmesser. Meist liegen die Werte höher, z.B. bei 200 μηι oder mehr oder bei 400 μηι oder mehr.
Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass bei der Expandierungsoperation Drehzahlen des Honwerkzeugs im Bereich von 400 min"1 bis 1000 min"1 in der Regel gute Ergebnisse bringen. In einem Fall wurde mit ca. 500 min"1 unter Verwendung von Öl als Kühlschmierstoff gearbeitet.
Bei einer Verfahrensvariante bleibt das Honwerkzeug während der Expandierungsoperation an der eingestellten Axialposition, so dass keine Hubbewegung überlagert wird. Bei anderen Verfahrensvarianten wird während der Expandierungsoperation mindestens phasenweise der Hubantrieb der Arbeitsspindel betätigt, um der Drehbewegung des Honwerkzeugs beim radialen Expandieren eine axial kurzhubige Oszillationsbewegung zu überlagern. Dadurch sind gegebenenfalls günstigere Materialabtragsbedingungen erzielbar. Die axiale Länge der erzeugten zylindrischen Erweiterung würde dann etwas größer ausfallen als bei lediglich radialer Expansion ohne überlagerte Hubbewegung.
Bei einer Verfahrensvariante wird nach Abschluss der Expandierungsoperation, d.h. dann, wenn die Schneidstoffkörper die erste Radialposition erreicht haben, das Honwerkzeug in einer Entlastungsoperation dadurch entlastet, das die Schneidstoffkörper um einen bestimmten Rückstellbetrag von beispielsweise 10 bis 15 μηι in eine zweite Radialposition zurückgestellt werden. Dadurch wird der Berührungskontakt zwischen der Außenfläche der Honsegmente und der Bohrungsinnenwand aufgehoben, so dass sich das Honwerkzeug gegebenenfalls unter Einwirkung elastischer Kräfte aus der Arbeitsspindel noch besser in Bezug auf die Spindelachse zentrieren kann. Dieser Schritt kann auch entfallen.
Nach Abschluss der Expandierungsoperation und ggf. nach der Entlastungsoperation wird eine Zugoperation (Fig. 3D) eingeleitet, bei der das drehend angetriebene Honwerkzeug mit geeigneter Hubgeschwindigkeit langsam aus der Bohrung in Richtung Bohrungseintritt herausgezogen wird. Dadurch entsteht ausgehend vom Bohrungsgrund eine allmähliche Verlängerung der zur Soll-Position der Bohrungsachse zentrierten zylindrischen Erweiterung, so dass die Bohrung sozusagen vom Bohrungsgrund ausgehend ihre zur Soll-Position der Bohrungsachse zentrierte, kreiszylindrische Bohrungsform erhält. Nach vollständigem Herausziehen des Honwerkzeugs aus der Bohrung (Fig. 3E) ist die Bohrung auf voller Länge bezüglich der Soll- Position der Bohrungsachse zentriert. Auch die Winkligkeit der Bohrung ist richtig eingestellt, so dass die Bohrungsachse z.B. senkrecht zur Deckfläche orientiert ist.
Für die Teiloperation des Herausziehens des Honwerkzeugs (bei gleichzeitiger axialer Vergrößerung der zylindrischen Erweiterung) liegen die Hubgeschwindigkeiten typischerweise im Bereich zwischen 0.3 m/s und 0.7 m/s, sie können jedoch auch kleiner sein, beispielsweise bis hinunter zu 0.1 m/s, oder aber größer, bis über 1 m/s, beispielsweise bis zu ca. 2 m/s.
In manchen Fällen kann es ausreichen, diese Honoperationen (inklusive Einführen des Honwerkzeugs, Expandieren zur Erzeugung einer zylindrischen Erweiterung, Herausziehen) nur ein einziges Mal durchzuführen. Es ist jedoch auch möglich, diese Arbeitsschritte einmal oder mehrfach zu wiederholen, was insbesondere dann günstig sein kann, wenn vor der ersten Bearbeitung der Positionsfehler der Bohrung relativ hoch ist und/oder wenn es gewünscht ist, bei der Zugoperation jeweils nur einen geringeren Materialabtrag als den endgültig erforderlichen zu erzeugen.
Nach der positionskorrigierenden Honoperation können sich weitere Bearbeitungsoperationen anschließen. Bei manchen Verfahrensvarianten wird anschließend mindestens eine weitere Honoperation mithilfe eines konventionellen aufweitbaren Honwerkzeugs 300 durchgeführt, welches einfach oder mehrfach gelenkig an die Arbeitsspindel angekoppelt ist und relativ lange Honleisten 320 hat, deren Länge z.B. mehr als 30% der Länge der Bohrung betragen kann (Fig. 3F). Hierdurch können eventuell noch vorhandene Zylinderformfehler und/oder andere Formfehler noch korrigiert werden. Das Verfahren kann, wie dargestellt, mit vertikaler Axialrichtung durchgeführt werden. Auch eine Horizontalbearbeitung ist möglich. Die Bohrung kann, wie dargestellt, unbeschichtet sein, so dass direkt das Grundmaterial des Werkstücks abgetragen wird. Eine Bearbeitung von beschichteten Bohrungen ist ebenfalls möglich, wobei dann das Material der Beschichtung abgetragen würde.
Ein Ringwerkzeug kann ggf. zusätzlich zu dem spindelfernen Ring einen separat zustellbaren weiteren Ring mit Schneidstoffkörpern haben.
Es ist gegebenenfalls auch möglich, für ein ähnliches Material abtragendes, positionskorrigie- rendes Feinbearbeitungsverfahren anstelle eines zum Honen konfigurierten Ringwerkzeugs ein Feinbohrwerkzeug zu verwenden, das mindestens ein am spindelfernen Ende endseitig angebrachtes aussteuerbares Schneidelement mit geometrisch bestimmter Schneide (anstelle einer ringförmigen Schneidgruppe mit geometrisch unbestimmten Schneiden) aufweist. Gegebenenfalls kann mindestens ein Paar einander diametral gegenüberliegender aussteuerbarer Schneidelemente vorhanden sein. Die Verfahrensschritte: Einführen des Feinbohrwerkzeugs, Expandieren bzw. Herausfahren des Schneidelements bei gleichzeitiger Drehung zur Erzeugung einer zylindrischen Erweiterung, Herausziehen mit herausgefahrenem Schneidelement bei gleichzeitiger Drehung könnten analog zum beschriebenen Vorgehen durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung (122) in einem Werkstück (120) mittels mindestens einer Honoperation, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, wobei bei einer Honoperation ein aufweitbares Honwerkzeug (200) verwendet wird, welches in einem spindelfernen Endbereich eines Werkzeugkörpers eine aufweitbare ringförmige Schneidgruppe (220) mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern aufweist, deren axiale Länge kleiner als der wirksame Außendurchmesser der Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern ist,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Starres Ankoppeln des Honwerkzeugs an eine Arbeitsspindel einer Bearbeitungsmaschine;
Relative Positionierung des Honwerkzeugs und der Bohrung so, dass eine Werkzeugachse (212) des Honwerkzeugs koaxial mit einer Soll-Position (SB) der Bohrungsachse der Bohrung ist;
Einführen des Honwerkzeugs in die Bohrung mit zurückgezogenen Schneidstoff körpern bis in eine Einfuhr-Endposition, in welcher sich die Schneidgruppe in einem eintrittsfernen Endbereich (123) der zu bearbeitenden Länge der Bohrung befindet;
Drehen des Honwerkzeugs und gleichzeitiges Expandieren der Schneidgruppe an oder im Bereich der Einfuhr-Endposition bis in eine erste Radialposition der Schneidstoffkörper derart, dass durch materialabtragenden Eingriff von Schneidstoff körpern an der Innenseite der Bohrung im Endbereich der Bohrung eine im Wesentlichen zu der Soll-Position der Bohrungsachse zentrierte zylindrische Erweiterung (121 ) der Bohrung erzeugt wird;
Herausziehen des Honwerkzeugs aus der Bohrung bei gleichzeitiger Drehung des Honwerkzeugs derart, dass die Bohrung ausgehend von der zylindrischen Erweiterung sukzessive in Richtung der Eintrittsseite erweitert wird.
2. Honverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, das mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist:
(i) an der ringförmigen Schneidgruppe (220) sind mehr als 60% des Umfangs mit Schneidmittel belegt, insbesondere mehr als 70% oder mehr als 80% des Umfangs der Schneidgruppe;
(ii) die axiale Länge (LHS) der Schneidstoffkörper liegt bei weniger als 30% des wirksamen Außendurchmessers der Schneidgruppe, insbesondere zwischen 10% und 20% dieses Außendurchmessers;
(iii) die axiale Länge (LHS) der Schneidstoffkörper liegt im Bereich von 5 mm bis 20 mm; (iv) die axiale Länge (LHS) der Schneidstoff körper beträgt weniger als 10% der Bohrungslänge der Bohrung.
3. Honverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidstoffkörper als in Umfangsrichtung breite und in Axialrichtung schmale Honsegmente (220-1 , 220-2, 220-3) gestaltet sind, wobei eine in Axialrichtung gemessene axiale Länge der Honsegmente kleiner als die in Umfangsrichtung gemessene Breite ist.
4. Honverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidgruppe mindestens drei Honsegmente (220-1 , 220-2, 220-3) aufweist, wobei vorzugsweise drei, vier, fünf oder sechs Honsegmente gleicher oder unterschiedlicher Umfangsbreite vorgesehen sind.
5. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, bei dem die Schneidstoffkörper eine keilförmige Schneidfläche bilden, wobei eine Umfangsbreite der Schneidfläche an einer spindelnahen Seite breiter ist als an einer spindelfernen Seite.
6. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Honwerkzeug verwendet wird, bei dem die Schneidstoffkörper Schneidkörner mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 50 μηη bis 250 μηη aufweisen.
7. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidstoffkörper beim Expandieren der Schneidgruppe (220) radial zugestellt werden.
8. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erweiterung (121 ) so erzeugt wird, dass ein Durchmesserunterschied zwischen der Erweiterung und einem anschließenden, nicht erweiterten Bohrungsabschnitt mindestens 100 μηη beträgt, insbesondere 200 μηη oder mehr.
9. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erzeugung der zylindrischen Erweiterung (121 ) vor Beginn des Herausziehens eine Entlastungsoperation zur Entlastung des Honwerkzeugs durchgeführt wird.
10. Honverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Entlastungsoperation die Schneidstoffkörper ausgehend von der ersten Radialposition um einen Rückstellbe- trag in eine zweite Radialposition zurückgestellt werden, wobei der Rückstellbetrag vorzugsweise zwischen 10 μηι und 15 μηι liegt.
1 1 . Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Herausziehen des Honwerkzeugs mit einer Hubgeschwindigkeit im Bereich von 0.1 m/s bis zu 2 m/s erfolgt, insbesondere im Bereich von 0.3 m/s bis 0,7 m/s
12. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Expandieren der Schneidgruppe zur Erzeugung der Erweiterung (121 ) der Drehung des Honwerkzeug mindestens phasenweise eine kurzhubige axiale Oszillationsbewegung überlagert wird, wobei ein axialer Hub vorzugsweise im Bereich von 2 mm bis 3 mm liegt.
13. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der positionskorngierenden Honperation folgenden weiteren Honoperation ein aufweitbares Honwerkzeug (300) mit Honleisten (320) verwendet wird, deren axiale Länge größer als deren Breite in Umfangsrichtung ist, wobei die axiale Länge vorzugsweise mehr als 30% der Länge der Bohrung beträgt.
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