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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von Zylinderlaufflächen, insbesondere in Brennkraftmaschinen,
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 4.
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Bei den bisherigen Verfahren zur
Herstellung von Zylinderlaufflächen
werden die Zylinderlaufflächen
zunächst
gebohrt und dann gehont, um eine gute Oberfläche zu erhalten und die durch
das Bohren entstandenen Rundheitsfehler zu korrigieren. Dieses Verfahren
ist aufwendig und teuer. Weiterhin entstehen durch das Honen Riefen
in der Zylinderlaufflächen,
die zu einem schnellen Ablaufen des Öls und daher zu einem hohen Ölverbrauch
führen,
der die Ölpumpe
des Motors stark beansprucht. Schließlich ist der beim Honen entstehende
Honschlamm Sondermüll
und daher teuer zu entsorgen. Somit besteht Interesse daran, das
Honen durch einen anderen Prozeß zu
ersetzen.
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Aus der
DE 197 06 833 A1 ist ein
Verfahren zum Feinspindeln bekannt, durch das der Prozeßschritt
des Honens ersetzt werden soll. Das Feinspindeln soll zu einer Oberfläche mit
gleichmäßigen Schmierstofftaschen
führen,
die somit den Ölverbrauch
vermindern. Um eine gute Oberfläche
erreichen zu können,
setzt das in der
DE
197 06 833 A1 beschriebene Verfahren jedoch eine hochgenau
geführte
Exzenterspindel voraus. Dies macht dieses Verfahren teuer und aufwendig.
Weiterhin kann es notwendig sein, die Oberfläche mit Hilfe eines Lasers nachzubearbeiten,
wodurch weitere Kosten entstehen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein preiswerteres Verfahren vorzuschlagen, mit Hilfe dessen
Zylinderlaufflächen
mit hoher Qualität
und Genauigkeit erzeugt werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
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Danach erfolgt die Feinbearbeitung
der Zylinderlaufflächen
mit Hilfe eines mehrschneidigen Werkzeugs, dessen Schneiden gleichzeitig
auf die Zylinderlauffläche
einwirken. Hierzu sind die Schneiden so in dem Werkzeug angeordnet,
daß die
Außenschneidkanten
auf einem gemein samen Teilkreis angeordnet sind, dessen Radius dem
Radius der zu fertigenden Zylinderlauffläche entspricht. Das Werkzeug
rotiert um eine Achse, die mit der Symmetrieachse der zu bearbeitenden
Zylinderlauffläche
zusammenfällt
und zentriert sich dadurch in dem zu bearbeitenden Hohlrylinder
selbst. Somit kann die Feinbearbeitung mittels einer Bearbeitungsmaschine
mit einer normalen Drehspindel erfolgen, und es wird keine teure
und aufwendige Exzenterspindel benötigt. Da die beim Exzenterspindeln
notwendige Exzenterverstellung und Meßsteuerung entfällt, können weiterhin
formgenauere Bohrungen erzeugt werden: Beim erfindungsgemäßen Verfahren
werden die Fehler in der zum Antrieb des Werkzeugs verwendeten Werkzeugspindel
durch das gleichzeitige Eingreifen der Schneiden, die sich gegenseitig
auf der zu bearbeitenden Zylinderbohrung abstützen, größtenteils ausgeglichen, wodurch
eine glättende
Wirkung auf die Zylinderfläche
erreicht wird. Ein sechsschneidiges Werkzeug hat sich dabei als
besonders vorteilhaft herausgestellt (siehe Anspruch 5).
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Gegenüber dem Reiben unterscheidet
sich die Erfindung dadurch, daß das
erfindungsgemäße Werkzeug
wesentlich kürzere
Schneiden aufweist als an Reibwerkzeugen üblich ist, und daß die Bearbeitung
der zylindrischen Innenfläche
beim erfindungsgemäßen Verfahren
schwerpunktmäßig einem
Stirnschneiden entspricht, während
beim Reiben vor allem eine schälende,
d.h. seitliche Bearbeitung der zu bearbeitenden Zylinderfläche erfolgt.
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Die einzelnen Schneiden des Werkzeugs sind
zweckmäßigerweise
so auf dem Werkzeug angeordnet, daß alle Schneiden mittels einer
Hilfsvorrichtung gleichförmig
radial gegenüber
der Drehachse des Werkzeugs verschiebbar sind (siehe Anspruch 2).
Dadurch kann eine Einstellung des Schneidradius des Werkzeugs erfolgen,
bei der sichergestellt ist, daß die
Schneiden auch nach der Einstellung wieder hochgenau auf einem gemeinsamen
Teilkreis liegen und somit gemeinsam auf die zu bearbeitende Zylinderfläche einwirken.
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Zur Herstellung der Zylinderlauffläche wird die
zu bearbeitende Fläche
zunächst
mittels einer Grobbearbeitung (insbesondere durch Schruppdrehen)
so weit ausgedreht, daß ihr
Radius wenige Zehntel Millimeter unterhalb des Zielmaßes liegt.
Zur Fertigbearbeitung wird die Zylinderlauffläche dann zunächst mit
einem erfindungsgemäßen Werkzeug feingedreht,
dessen Schneiden so eingestellt sind, daß der Abstand der Außenschneidkanten
zur Drehachse geringer sind als der gewünschte Radius. Nach diesem
Bearbeitungsschritt wird der Radius der Zylinderlauffläche gemessen
und mit dem Zielmaß verglichen;
entsprechend diesem Differenzwert werden nun die Schneiden des Werkzeugs
mittels der Hilfsvorrichtung radial nach außen verschoben und mit dem
so eingestellten Werkzeug ein letzter Feindrehschritt durchgeführt, durch
den die Zylinderlauffläche
das gewünschte
Maß und
die gewünschte Oberflächenqualität erhält (siehe Anspruch
3). Das auf das Zielmaß eingestellte
Werkzeug wird dann zum Feindrehen der gesamten Charge verwendet.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert; dabei
zeigen:
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1 eine
seitliche Schnittansicht eines Feindrehwerkzeugs und einer zu bearbeitenden
Zylinderbuchse;
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2 eine
axiale Aufsicht auf das in 1 dargestellte
Feindrehwerkzeug gemäß einem
Schnitt entlang der Linie II-II.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Werkzeug 1 zur
Feinbearbeitung einer Zylinderlauffläche 2 einer in einen
Zylinderblock 3 eingebetteten Zylinderlaufbuchse 4.
Die Zylinderlaufbuchse 4 besteht aus einer spraykompaktierten
Aluminium-Legierung, in die Silizium-Körnchen eingebettet sind. Das
Werkzeug 1 weist einen topfförmigen Grundkörper 5 auf, an
dessen Außenwand 6 im
Bereich des dem Zylinderblock 3 zugewandten Randes 7 sechs
Schneidplatten 8 befestigt sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
bestehen die Schneidplatten 8 aus polykristallinem Diamant
und sind an der Außenwand 6 des
Grundkörpers 5 eingelötet. Wie
aus 2 ersichtlich, bilden
die Außenschneiden 9 der
Schneidplatten 8 ein näherungsweise
gleichseitiges Sechseck; die Abstände der Außenschneidkanten 9 von der
Symmetrieachse 10 des Werkzeugs 1 sind für alle Schneidplatten 8 gleich,
so daß alle
Außenschneidkanten 9 auf
einem Teilkreis 11 mit Radius 12 gegenüber der
Symmetrieachse 10 angeordnet sind. Im Innenbereich des
topfförmigen
Grundkörpers 5 befindet
sich ein Spreizring 13, der mit Hilfe einer Spannschraube 14 mit
der Basisplatte 15 des Grundkörpers 5 verbunden
ist. Ein Kontaktbereich 16 auf dem Spreizring 13,
im Bereich dessen der Spreizring 13 den Grundkörper 5 berührt, ist
konusförmig
ausgestaltet, so daß der
Kontaktbereich 16 des Spreizrings 13 einen kleinen
Winkel 17 mit der Innenwand 18 des Grundkörpers 5 einschließt. Wird
die Spannschraube 14 tiefer in die Basisplatte 15 des
Grundkörpers 5 eingeschraubt,
so drückt
der Kontaktbereich 16 des Spreizrings 13 gegen
die Innenwand 18 des Grundkörpers 5, übt dabei
eine Dehnung auf die Wände 19 des
Grundkörpers 5 aus
und drückt
somit die Schneidplatten 8 von der Symmetrieachse 10 des Werkzeugs 1 weg.
Mittels der Spannschraube 14 kann auf diese Weise der Radius 12 des
Teilkreises 11 der Außenschneidkanten 9 um
etwa 30 μm
bis 40 μm
vergrößert werden.
Diese Dehnung der Wände 19 des
Grundkörpers 5 ist
weitgehend irreversibel, so daß durch
Lösen der
Spannschraube 14 nur eine vernachlässigbar geringe Verkleinerung
des Teilkreisradius 12 eintritt. Ist der Teilkreis 11 daher
auf ein gewisses Maß gedehnt,
so kann das vorliegende Werkzeug 1 nicht mehr zur Bearbeitung
von Zylinderlaufflächen 2 mit
kleinerem Radius verwendet werden. Eine Abdeckplatte 20 hält den Innenraum 21 des Spreizrings 13 während der
Bearbeitung frei von Spänen
und verhindert das unbeabsichtigte Lösen der Spannschraube 14.
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Vor der Feinbearbeitung trägt der Innenradius
der Zylinderlaufbuchse 4 typischerweise ein Aufmaß von wenigen
Zehntel Millimeter gegenüber
dem Sollmaß.
Dieses Aufmaß soll
nun im letzten Bearbeitungsschritt entfernt werden. Das hierzu verwendete erfindungsgemäße Werkzeug 1 ist
so dimensioniert, daß der
Abstand 12 der Außenschneidkanten 9 von der
Werkzeugachse 10 geringer sind als der auf der Zylinderlaufbuchse 4 zu
erzeugende Sollradius der Zylinderlauffläche 2, wobei der Abstand 12 der
Außenschneidkanten 9 zur
Werkzeugachse 10 aber durch ein – oben beschriebenes – Anziehen
der Spannschraube 14 mindestens so weit vergrößert werden
kann, daß er
dem Sollradius der Zylinderlauffläche 2 entspricht.
Der Istwert des Innenradius 22 der Zylinderlaufbuchse 4 beträgt typischerweise
etwa 39.7 mm und soll auf einen Sollwert von 40.00 mm erhöht werden.
Hierzu hat das Werkzeug 1 typischerweise einen Teilkreisradius 12 von
39.98 mm, der mit Hilfe der Spannschraube 14 bis auf einen
Wert von 40.01 mm gedehnt werden kann.
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Für
den ersten Prozeßschritt
im Zuge der Feinbearbeitung wird die Spannschraube 14 des Werkzeugs 1 so
weit in die Grundplatte 15 hineingedreht, daß die Wände 19 des
Grundkörpers 5 nur
unwesentlich gedehnt sind, die Innenwände 18 aber umlaufend
gleichmäßig am Spreizring 13 anliegen;
in diesem Dehnungszustand ist der Radius 12 des Teilkreises 1 1,
auf dem sich die Außenschneidkanten 9 befinden,
geringer als (oder höchstens
gleich groß wie)
der Sollradius der Zylinderlauffläche 2. Das Werkzeug 1 wird
in ein Futter 23 einer in 1 nicht näher dargestellten
Drehspindel eingespannt, die so gegenüber dem Zylinderblock 3 ausgerichtet
ist, daß die
Symmetrieachse 10 des Werkzeugs 1 mit der Soll-Symmetrieachse 24 der
Zylinderlauffläche 2 übereinstimmt.
Wird nun das rotierende Werkzeug 1 in die Zylinderlaufbuchse 4 hineinbewegt,
so erfolgt einerseits eine schneidende Bearbeitung der Buchsenoberfläche 25 durch
die Stirnschneiden 26 der Schneidplatten 8, andererseits
eine schälende
Bearbeitung durch die Außenschneidkanten 9 der Schneidplatten 8.
Hierbei sind alle sechs Schneidplatten 8 gleichzeitig im
Einsatz; der Verschleiß jeder einzelnen
Schneidplatte 8 ist daher wesentlich geringer als bei einem
Werkzeug, das nur eine einzige Schneidplatte aufweist. Weiterhin
stellt die näherungsweise äquidistante
Verteilung der Schneidplatten 8 auf dem Teilkreis 1 1
sicher, daß sich
die Schneidplatten 8 im Inneren der Zylinderlaufbuchse 4 gegenseitig
abstützen,
so daß bei
der Bearbeitung eine hochgenaue, glatte Zylinderfläche erzeugt
wird: Die als Begleiterscheinung dieses Feindrehens entstehenden
Welligkeiten haben eine sehr geringe Amplitude von wenigen Mikrometern
und Wellenlängen in
der Größenordnung
des Durchmessers der Laufbuchse 4. Durch die gegenseitige
Abstützung
und den dadurch entstehenden Gleiteffekt der Schneidplatten 8 wird
nur ein sehr geringer Anteil der in der Zylinderlaufbuchse 4 eingebetteten
Silizium- Körnchen aus
der Aluminium-Matrix herausgerissen, so daß eine hochgenaue Zylinderlauffläche 2 mit
qualitativ hochwertiger Oberfläche
entsteht.
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Nach diesem ersten Prozeßschritt
wird der dabei erzeugte Radius der Zylinderlaufbuchse 4 gemessen
und mit dem Sollwert verglichen. Ist dieser Meßwert geringer als der Sollwert,
dann werden die Schneidplatten 8 des Werkzeugs 1 mit
Hilfe der Spannschraube 14 um die dabei ermittelte Differenz nach
außen
gedrückt
und mit diesem aufgeweiteten Werkzeug 1 ein weiterer Feinbearbeitungsschritt
an der Zylinderlaufbuchse 4 durchgeführt, durch den die Zylinderlaufbuchse 4 nun
den gewünschten
Sollradius erhält.
Mit Hilfe dieses aufgeweiteten Werkzeugs 1, dessen Teilkreisradius 12 genau
dem gewünschten
Sollradius entspricht, kann nun eine gesamte Charge von Laufbuchsen
in jeweils einem einzigen Prozeßschritt
bearbeitet werden.
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Das hier beschriebene erfindungsgemäße Werkzeug 1 kann
zur Bearbeitung von Zylinderlaufbuchsen aus beliebigen Werkstoffen
verwendet werden. Neben der hier beschriebenen Ausgestaltung des
Werkzeugs 1 mit sechs Schneidplatten 8 kann das
Werkzeug 1 auch mit drei, vier oder einer beliebigen Zahl
von Schneidplatten 8 ausgestattet sein. Weiterhin können die
Schneidplatten 8 auch so auf dem Grundkörper 5 befestigt werden,
daß sie – statt der
gemeinsamen Dehnung mit Hilfe des Spannrings 13 – auch einzeln,
z.B. mit Hilfe von verstellbaren Klemmhaltern, verschoben werden
können;
dies bedeutet jedoch in der Regel einen höheren Einstellaufwand.