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EP3259099A1 - Honverfahren zum formhonen - Google Patents

Honverfahren zum formhonen

Info

Publication number
EP3259099A1
EP3259099A1 EP16704610.1A EP16704610A EP3259099A1 EP 3259099 A1 EP3259099 A1 EP 3259099A1 EP 16704610 A EP16704610 A EP 16704610A EP 3259099 A1 EP3259099 A1 EP 3259099A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bore
diameter
honing
measuring
measurement
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.)
Granted
Application number
EP16704610.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3259099B1 (de
Inventor
Fabio Antonio XAVIER
Joachim Weiblen
Florian KRANICHSFELD
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
Publication of EP3259099A1 publication Critical patent/EP3259099A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3259099B1 publication Critical patent/EP3259099B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B33/00—Honing machines or devices; Accessories therefor
    • B24B33/02—Honing machines or devices; Accessories therefor designed for working internal surfaces of revolution, e.g. of cylindrical or conical shapes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/02—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation according to the instantaneous size and required size of the workpiece acted upon, the measuring or gauging being continuous or intermittent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/08—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation involving liquid or pneumatic means

Definitions

  • the invention relates to a honing process for machining the inner surface of a bore in a workpiece by means of at least one honing operation according to the preamble of claim 1 and a processing plant configured for carrying out the honing process.
  • a preferred field of application is the honing of cylinder surfaces in the manufacture of cylinder blocks or cylinder liners for reciprocating engines.
  • cylinder surfaces in cylinder blocks (cylinder crankcases) or cylinder liners of internal combustion engines or other reciprocating engines are exposed during operation of a strong tribological stress. Therefore, it is important in the production of cylinder blocks or cylinder liners to edit these cylinder surfaces so that later in all operating conditions sufficient lubrication is ensured by a lubricant film and the frictional resistance between relatively moving parts is minimized.
  • Honing is a machining process with geometrically indeterminate cutting edges.
  • an expandable honing tool is reciprocated within the bore to be machined to produce a stroke in the axial direction of the bore with a stroke frequency and simultaneously rotated to produce a rotational movement superimposed on the stroke with a presettable rotational speed.
  • the cutting material bodies attached to the honing tool are delivered via a feed system with a feed force and / or delivery speed acting radially to the tool axis and pressed against the inner surface to be machined.
  • a cross-cut pattern typical for honing is usually produced on the inner surface with intersecting machining marks, which are also referred to as "honing marks".
  • a cylinder bore should typically have a bore shape that deviates as little as possible, for example a maximum of a few micrometers, from an ideal circular cylinder shape.
  • the so-called form honing is a technology which by an inversion of the cylinder distortions (generation of a negative shape of the defect) in the machining process is supposed to ensure or approximate the formation of an ideal shape after assembly or in the operating state of the engine.
  • a defined by the circular cylindrical shape bore shape is generated at the unstrained workpiece by honing.
  • Such bore shapes are usually asymmetric in the axial direction and / or in the circumferential direction, because the deformations of the cylinder block are usually not symmetrical.
  • an ideal circular cylinder shape should result, so that the piston ring package can seal well over the entire circumference of the bore.
  • WO 2014/146919 A1 describes a honing method for shaping, in which a bore which is rotationally symmetrical with respect to the bore axis is produced which, in the vicinity of the bore entry, forms a narrower cylindrical bore section and, subsequently further away from the bore entry, a widening one Has bore portion with axially variable diameter.
  • the application also includes honing tools who have at least one annular cutting group with cutting bodies, which are designed as wide in the circumferential direction and narrow in the axial direction Honsegmente. When using such honing tools, bore shapes with an axial contour can be processed particularly precisely and economically.
  • a bore that is rotationally symmetrical with respect to a bore axis is produced by honing, the shape of which deviates from a circular cylindrical shape.
  • the bore has a circular cylindrical first bore portion and then a non-circular cylindrical second bore portion whose diameter changes in the axial direction.
  • the circular cylindrical first bore portion is usually located immediately at the entrance side of the bore, while the second bore portion is farther from the bore entry and compared to the first bore portion has a larger diameter, so that the bore in the direction of the entry distal bore end at least over a portion extended.
  • Other bore sections may be present.
  • a measurement of the diameter of the (circular-cylindrical) first bore section is carried out in at least one first measuring plane in the region of the first bore section in order to determine a first diameter value.
  • a measurement of the diameter of the second bore section in at least one second measuring plane in the region of the second bore section is carried out in order to determine a second diameter value.
  • the order of these measuring steps is basically arbitrary, but it is often useful to measure first in the first bore section and then in the second bore section.
  • the second diameter value is then evaluated using the first diameter value to determine actual shape values representing an actual shape of the bore.
  • the second diameter value is thus evaluated with reference to the first diameter value determined in the circular-cylindrical first bore section.
  • the first diameter value may thus serve as a workpiece internal reference for the dimension determination in the evaluation step.
  • the actual shape values determined in this way are then compared with desired shape values in order to determine shape deviation values.
  • a subsequent honing operation is then controlled in dependence on the shape deviation values.
  • this first measuring value uses the first diameter value determined in the circular-cylindrical first bore section as the reference value for the evaluation of those diameter values which are determined by measurement in the non-circular-cylindrical second bore section (which is generally more difficult to assess).
  • the first bore section or the first diameter value determined therein thus serves as a workpiece-internal reference for the entire measurement.
  • the diameter of the first bore section may be sufficient to measure the diameter of the first bore section only in a single measurement plane, for example in the middle region of the first bore section.
  • a significant improvement in precision is achieved in embodiments in which, when measuring the diameter of the first bore section in two or more axially offset first measuring planes in each case a first diameter is measured and for determining the first diameter value, an average of the first diameter is formed. Referencing at the diameter values of the first bore section thereby becomes less susceptible to random misregistration or random local shape deviations within the first bore section.
  • the arithmetic mean of several measurements is determined. Although measurements in two mutually axially offset first measurement levels may be sufficient, is preferably measured at three or more first measurement levels. In particular, it is possible to measure at exactly three first measuring levels. As a result, a good compromise between the achievable measurement accuracy and the total measurement time required for the measurement can be achieved.
  • a second diameter is measured in an end section of the second bore section remote from the first bore section, and a preliminary value is determined from the second diameter in the end section and the first diameter value.
  • the "prescale" is defined as the difference between the bore diameter at the remote end of the bore and the bore diameter in the cylindrical bore portion, for example, the difference between the second diameter determined in the end region and the first diameter value
  • the end section is preferably located in the third or third zone remote from the entry of the axial length of the second bore section, ie in a relatively large axial distance from the first bore section.
  • an axial measurement interval between adjacent second measurement planes is preferably chosen such that this axial measurement interval is smaller than an axial measurement interval between adjacent first measurement planes. It is thus measured in the non-circular cylindrical bore section with a higher axial resolution (or with a smaller distance between adjacent measurement planes), while in the circular cylindrical first bore section a coarser grid can be provided at measurement levels. As a result, the total measurement time required for the measurement can be optimized without a substantial loss of measurement accuracy. For example, an axial measurement interval between immediately adjacent measurement planes may be 50% or less and / or 40% or less and / or 30% or less in the second bore section than an axial measurement interval in the first bore section.
  • first diameter values and second diameter values of a bore in the form of a data record representing the actual shape of the bore are stored in a memory of a control device. The values are thus available for later processing.
  • the associated diameter values are measured in two measuring directions perpendicular to one another in a measuring plane.
  • the measured values thus obtained can be averaged.
  • This type of measurement also allows indications of possible critical deviations in shape, ie deviations from the desired rotationally symmetrical bore shape. It may also be sufficient to measure only in a single diametrical measuring direction.
  • the measurements are carried out with a pneumatic measuring system.
  • Non-contact pneumatic measuring systems with sufficient measuring accuracy are available and sufficiently robust to be able to be used permanently even in production-related areas.
  • the honing process can be carried out with differently designed honing tools.
  • an expandable honing tool is used in the machining, which has an expandable, annular cutting group with a plurality of circumferentially distributed around the circumference of the tool body Schneidstoff Eisen originally in an off-spindle end portion, wherein an axial length of the cutting body is smaller than the effective outer diameter of the annular cutting group completely retracted cutting bodies.
  • suitable honing tools with one or two annular cutting groups as well as with simple widening or double widening are given in WO 2014/146919 A1. The disclosure content of WO 2014/146919 A1 is incorporated herein by reference.
  • piezoelectrically controlled honing tools used.
  • the invention also relates to a processing system configured to carry out the honing process. It can be a honing plant with a specialized honing machine or a processing plant with another machine tool, which offers the functionalities required here.
  • the processing plant has a separate from a honing unit Vietnamesemessstation to which the workpiece is transferred after the end of the processing for the measurement. Measurements may possibly be overlapped with a honing process at the post-measurement station. In other variants, the diameter measurements can also be carried out by means of a measuring system integrated in a honing tool.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through an exemplary embodiment of a cylindrical conical bore with an inlet-side circular-cylindrical first bore section and an entry-distant conical second bore section;
  • Fig. 2 shows an embodiment of a honing tool in the machining of a cylindrical-conical bore
  • Fig. 3 shows schematically an example of a Nachmessstrategie
  • Fig. 4 shows a pneumatic measuring mandrel when performing a measurement in the bore.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through an embodiment of such a bore 1 10 in a workpiece 100 in the form of an engine block (cylinder crankcase) for an internal combustion engine.
  • the desired shape of the bore is rotationally symmetric with respect to its bore axis 1 12 and extends over a bore length L from a bore inlet 1 14 facing the cylinder head in the installed state to the bore outlet 16 at the opposite end.
  • the hole can be in several adjacent sections subdivided into different functions, which merge into one another, ie without the formation of steps or edges.
  • a first bore portion 120 at the entrance end has a first target diameter DS1 and a first length L1.
  • the first nominal diameter is present over the entire first length L1, so that the first bore portion has a circular cylindrical shape.
  • the first bore section merges into an axially narrow transition section with transition radius R1 steplessly into a second bore section 130, which extends from the transition section to the exit-side end of the bore.
  • the second bore portion 130 has a substantially conical or frusto-conical shape and extends over a second length L2.
  • the second bore portion has an inner diameter (second target diameter) DS2 throughout which is larger than the first target diameter DS1, wherein the second target diameter increases continuously linearly in the axial direction from the transition portion to the bore end.
  • the cone angle ⁇ (angle between the bore axis and an axial plane of the second bore portion) may be e.g. in the range of less than 1 °, possibly even less than 0.2 °.
  • the difference between the nominal diameter DS1 in the cylindrical bore section and the nominal diameter at the bore exit 16 is referred to herein as the "desired value”.
  • the first length L1 may for example be between 10% and 60% of the bore length L.
  • the second length L2 is typically greater than the first length and is often between 30% and 80% of the bore length L.
  • the transition section is very short compared to the adjacent bore sections. Even deviations from these geometrical conditions are possible.
  • the difference in diameter between the first nominal diameter DS1 and the second nominal diameter DS2 in parts remote from the entry is clearly outside the tolerances typical for honing, which are for a cylindrical shape in the order of a maximum of 10 ⁇ m (based on the diameter).
  • the maximum diameter difference ie, the pre-span
  • the pre-span may be, for example, between 20 ⁇ and 500 ⁇ .
  • the lengths of the outer bore sections and the radius of the transition section may be optimized to provide low blow-by, low oil consumption, and low piston ring wear in typical engine operating conditions.
  • the shape of the bore means that the bore in the region near the inlet is comparatively narrow, so that the piston rings of the piston running in the bore are pressed against the inner bore surface 1 18 under high hoop stress. As a result, where the combustion takes place mainly and high pressures occur, a reliable seal is achieved and the oil film is stripped in the downstroke.
  • the piston accelerated by the combustion then moves in the direction of the bore exit, wherein the piston rings first pass through the transition section and then the conical second bore section with the continuously expanded inner diameter.
  • the piston rings can gradually relax, with the seal remaining sufficient because the pressure difference across the piston rings decreases.
  • the ring package reaches its lowest voltage.
  • the hoop stress then gradually increases again until the piston rings reach the transition section and pass through it in the direction of the first bore section.
  • an expansion caused by heat influences the cylinder bore in the upper, cylindrical part of the bore is stronger than in the conical region. This results in the fired state overall a largely cylindrical or significantly less conical bore shape than in the cold state.
  • a continuous cylindrical hole (over the entire bore length L) with a small undersize relative to the nominal diameter SD1 in the first bore section is produced.
  • a long-stroke honing tool can be used with relatively long honing stones. This honing operation may be performed as an intermediate honing operation after a previous prefetching operation.
  • the honing tool 200 has a single annular cutting group 220 with distributed around the circumference of the tool body cutting bodies, which can be delivered by means of a Schneidstoff Economics-Zustellsystems not shown in the radial direction to the tool axis 212 or withdrawn (see double arrows).
  • the cutting material bodies are designed as Honsegmente whose width in the circumferential direction is significantly greater than their length in the axial direction.
  • the cutting material bodies responsible for the material removal on the workpiece are concentrated in an axially relatively narrow zone, ie a ring of the cutting group, and occupy a relatively large portion of the circumference of the honing tool.
  • bore shapes can be produced with a relatively high material removal rate, in which bore sections of different diameters in the axial direction adjoin one another.
  • the honing tool is coupled in the example hinged to the honing spindle of a honing machine to allow a limited mobility of the honing tool relative to the honing spindle.
  • a multi-axis joint 210 is formed on the spindle-side end of the honing tool, for example a gimbal joint or a ball joint.
  • a rigid tool design (without hinge) is provided in connection with a rigid drive rod, a bending rod or a floating head rod.
  • honing tools suitable for this process can be used, in particular those honing tools as disclosed in the Applicant's WO 2014/146919 A1.
  • the relevant disclosure of this application is incorporated herein by reference.
  • a stroke-dependent control of the expansion of the honing tool can be carried out in such a way that a control of the delivery system for the radial delivery of the cutting material body with the control for the stroke position (in Axial direction) is coupled. This can for example be done so that the delivery force and / or the delivery speed of cutting material bodies of the honing tool are controlled in dependence on the stroke position of the honing tool.
  • the feed force would then increase with downward movement of the honing tool (in the direction of the bore exit 16) and decrease on upward movement (in the direction of the first bore section).
  • Other process guides are also possible, in particular those as described in WO 2014/146919 A1.
  • a readjustment operation is carried out on the finished workpiece at a measuring station separate from the honing unit. If the measurement shows that the values by more than 30%, 40%, 50% or 60% exploit the permitted tolerance field of the measured actual shape of the bore (eg 40% utilization results in a tolerance margin of 30% each to the upper and lower tolerance limit), corresponding compensation signals can be generated to work on the subsequent honing of a next well with changed honing parameters and thereby achieve the desired shape desired with better precision. Measures are taken to ensure that in the context of tolerances always the same relationship between the diameter dimensions of the circular cylindrical first bore portion 120 and the dimensions of the conical second bore portion 130 prevails.
  • the diameter of the nominally circular-cylindrical first bore section 120 is measured in three measurement planes M1 -1, M1 -2 and M1 -3 offset axially from one another. These are at uniform axial distances in each case by a first measurement interval MI-1 axially offset from one another.
  • the corresponding diameter values are referred to as D1, D2 and D3.
  • the effective diameter is stored as the first diameter value for describing the actual shape.
  • the individual measured values D1, D2 and D3 are also stored together with the associated axial positions of the measuring levels.
  • the thus determined first diameter value D e ff serves as a reference for the diameter values in the conical second bore section.
  • second measuring planes M2-1, M2-2 and M2-3 are axially offset from each other at uniform axial distances by a second measuring interval MI-2.
  • the thus obtained second diameter values (D4, D5, and D6) are then automatically evaluated in a comparison operation using the first diameter value (Deff) to determine therefrom actual shape values representing the present cylindrical-conical actual shape of the bore. From a comparison of the actual shape values with desired shape values specified by the specification, shape deviation values are determined. Subsequent honing operations are then controlled in dependence on the shape deviation values. This makes it possible, inter alia, to perform diameter deviations of the conical bore portion relative to the cylindrical portion of the cylinder bore (first bore portion) a diameter compensation.
  • the effective diameter D e ff which was determined for the cylindrical first bore portion 120, compared with that diameter value D6 which was determined in the second measurement plane M2-3 furthest away from the bore entry in a bore-remote end section EA of the second bore section.
  • the difference of the effective diameter D eff in the first bore section to the diameter D6 in the lowermost measuring plane M2-3 can be used to calculate the actual preform of the bore shape, ie the actual forelot.
  • the difference between the actual pre-width and the nominal pre-width is compensated for the next processing cycle if necessary. The same applies to deviations of the diameter in the cylindrical area.
  • KOMP-ZH stands for a compensation in the Intermediate level
  • KOMP-FH stands for compensation in the Formhon stage.
  • compensation here means that the honing parameters are changed in relation to the honing parameters of the previous processing in order to avoid or reduce as much as possible a detected deviation from the desired shape during the next honing process.
  • the abbreviation VW stands for the determined actual value of the Vorweite.
  • a processing system For a permanent detection of the bore geometry during the shaping operation during series operation, it is provided in a processing system to connect the honing machine to an after-measurement station, in which the finished components can be measured by means of a pneumatic measuring mandrel (i.e. It is provided a feedback of the measurement results in the control of the honing machine to respond to any form deviations immediately in the processing of the next workpiece can.
  • the Nachmessstation is configured so that the axial contour curve can be detected and selected.
  • a measuring system for example, with a pneumatic measuring mandrel 400 according to FIG. 4, the system can also be used for detecting the axial contour in the cylinder bore by changes in the control software, ie by changing the test plan.
  • two measuring channels each having two diametrically arranged measuring nozzles 410-A1, 410-A2 (measuring direction A) and 410-B1 are available in order to be able to measure the diameter in two mutually perpendicular measuring directions A and B.
  • Pneumatic measuring mandrels work according to the nozzle-flapper principle. For the measurement, compressed air is blown out of the measuring nozzles in the direction of the bore wall.
  • the resulting dynamic pressure in the area of the measuring nozzles can serve as a measure of the distance of the measuring nozzle to the bore wall.
  • a transducer connected to the measuring nozzle via a pressure line converts the (pneumatic) pressure signal into an electrically processable voltage signal. Instead of the pressure and the flow of compressed air can be used for evaluation.
  • the bore diameter in the measuring plane can be determined for a given diametrical distance between the measuring nozzles.
  • Pneumatic measuring mandrels enable non-contact measuring, independent of the material of the test object, and, within the scope of its measuring range, high measuring accuracies which, in the case of measuring units, are generally well below a micrometer, for example in the range from 0.2 ⁇ m to 0.3 ⁇ m for repeated measurements ,
  • the measurement is controlled so that the axial measurement intervals MI-2 between immediately successive measurement planes in the second bore section 130, in which the diameter changes continuously, for example, are smaller than the measurement intervals MI -1 in the circular cylindrical first bore portion 120, in which the diameter is nominally equal in all axial positions.
  • a measurement interval of e.g. 3 mm in the second bore portion 130 the deviating from the circular cylindrical shape conical bore shape are detected very accurately.
  • detection and evaluation over the entire bore length L is also possible.
  • For each measuring point or each measuring level permissible minimum values and maximum values are specified. In the case of deviations, compensation takes place on the respective honing spindle, for example in the manner which was explained in connection with Table 1.
  • the values of a hole can be further processed, displayed in a diagram and stored permanently in a database.
  • the measuring direction is freely selectable, so that it is possible to measure both from the inlet-side end to the inlet-distal end and from the (wider) inlet-distal end to the (narrower) bore entry.
  • the desired axial contour in the second bore portion is the contour of a simple cone with continuous (linear) diameter increase from the end of the first bore portion toward the bore end.
  • a trumpet shape or a bell shape or bottle shape of a bore there are also other forms of bore possible, for example, a trumpet shape or a bell shape or bottle shape of a bore.
  • a third bore section which is circular-cylindrical or may have a different cone angle than the second bore section, may adjoin a conical second bore section in the direction of the entry-distant bore end.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)

Abstract

Bei einem Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung (110) in einem Werkstück (100) mithilfe mindestens einer Honoperation wird während einer Honoperation ein an eine Spindel angekoppeltes, aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung hin und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung um eine Werkzeugachse gedreht. Dabei wird eine in Bezug auf eine Bohrungsachserotationssymmetrische, von der Kreiszylinderform abweichende Bohrung erzeugt, die einen kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitt (120) und daran anschließend einen nicht-kreiszylindrischen zweiten Bohrungsabschnitt (130) mit axial veränderlichem Durchmesser aufweist. Es erfolgt eine Messungdes Durchmessers des ersten Bohrungsabschnitts (120) in mindestens einer ersten Messebene (M1-1, M1-2, M1-3) zur Ermittlung eines ersten Durchmesserwerts sowie eine Messung des Durchmessers des zweiten Bohrungsabschnitts (130) in mindestens einer zweiten Messebene (M2-1, M2-2, M2-3) zur Ermittlung eines zweiten Durchmesserwerts. Eine Bewertungdes zweiten Durchmesserwerts erfolgt unter Verwendung des ersten Durchmesserwerts, um Ist-Formwerte zu ermitteln, die eine Ist-Form der Bohrung repräsentieren. Die Ist-Formwerte werden mit Soll-Formwertenverglichen, um Formabweichungswertezu ermitteln. Eine nachfolgende Honoperationwird in Abhängigkeit von den Formabweichungswertengesteuert.

Description

Honverfahren zum Formhonen
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung in einem Werkstück mithilfe mindestens einer Honoperation gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine zur Durchführung des Honverfahrens konfigurierte Bearbeitungsanlage. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen.
Die Zylinderlaufflächen in Zylinderblöcken (Zylinderkurbelgehäusen) oder Zylinderlaufbuchsen von Brennkraftmaschinen oder anderen Hubkolbenmaschinen sind im Betrieb einer starken tribologischen Beanspruchung ausgesetzt. Daher kommt es bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen darauf an, diese Zylinderlaufflächen so zu bearbeiten, dass später bei allen Betriebsbedingungen eine ausreichende Schmierung durch einen Schmiermittelfilm gewährleistet ist und der Reibwiderstand zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen möglichst gering gehalten wird.
Die qualitätsbestimmende Endbearbeitung solcher tribologisch beanspruchbaren Innenflächen erfolgt in der Regel mit geeigneten Honverfahren, die typischer Weise mehrere aufeinanderfolgende Honoperationen umfassen. Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Bei einer Honoperation wird ein aufweitbares Honwerkzeug innerhalb der zu bearbeitenden Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung mit einer Hubfrequenz hin- und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung mit einer vorgebbaren Drehzahl gedreht. Zur Aufweitung des Honwerkzeugs werden die am Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper über ein Zustellsystem mit einer radial zur Werkzeugachse wirkenden Zustellkraft und/oder Zustellgeschwindigkeit zugestellt und an die zu bearbeitende Innenfläche angedrückt. Beim Honen entsteht in der Regel an der Innenfläche ein für die Honbearbeitung typisches Kreuzschliffmuster mit sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren, die auch als„Honriefen" bezeichnet werden.
Mit steigenden Anforderungen an die Sparsamkeit und Umweltfreundlichkeit von Motoren ist die Optimierung des tribologischen Systems Kolben/Kolbenringe/Zylinderlauffläche von besonderer Bedeutung, um geringe Reibung, geringen Verschleiß und geringen Ölverbrauch zu erreichen. Der Reibungsanteil der Kolbengruppe kann bis zu 35% betragen, so dass eine Reibungsreduzierung in diesem Bereich wünschenswert ist. Eine Technologie, die für die Reduzierung der Reibung und des Verschleißes immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die Vermeidung bzw. Reduzierung von Zylinderverzügen bzw. Deformationen des Motorblocks (Zylinderkurbelgehäuses) bei der Montage und/oder im Betrieb. Nach einer konventionellen Honbearbeitung soll eine Zylinderbohrung typischerweise eine Bohrungsform haben, die möglichst wenig, z.B. maximal wenige Mikrometer, von einer idealen Kreiszylinderform abweicht. Während der Montage und/oder des Betriebs des Motors kann es jedoch zu deutlichen Formfehlern (Verzügen) kommen, die bis zu mehreren Hundertsteln Millimeter betragen und die Performance des Motors verringern können. Die Ursachen von Verzügen bzw. Deformationen sind unterschiedlich. Es kann sich um statische oder quasi statische thermische und/oder mechanische Belastungen handeln oder um dynamische Belastungen. Auch die Konstruktion und das Design von Zylinderblöcken haben Einfluss auf die Neigung zu Deformationen. Die Dichtfunktion des Kolbenringpakets wird durch solche schwer kontrollierbaren Deformationen typischerweise verschlechtert, wodurch sich der Blow-by, der Ölverbrauch und auch die Reibung erhöhen können.
Das sogenannte Formhonen ist eine Technologie, welche durch eine Invertierung der Zylinderverzüge (Erzeugung einer Negativform des Fehlers) bei der Bearbeitung die Entstehung einer Idealform nach der Montage oder im Betriebszustand des Motors gewährleisten oder annähern soll. Dabei wird am unverspannten Werkstück mittels Honen eine von der Kreiszylinderform definiert abweichende Bohrungsform erzeugt. Solche Bohrungsformen sind in der Regel in Axialrichtung und/oder in Umfangsrichtung unsymmetrisch, weil auch die Deformationen des Zylinderblocks in der Regel nicht symmetrisch sind. Im Betriebszustand soll sich eine möglichst ideale Kreiszylinderform ergeben, so dass das Kolbenringpaket über den gesamten Bohrungsum- fang gut abdichten kann.
Verschiedene Varianten des Formhonens, die es erlauben, nicht-rotationssymmetrische Bohrungsformen mit einer systematischen Abweichung von einer 2-zähligen Rotationssymmetrie zu erzeugen, werden in der EP 1 790 435 B1 beschrieben. Bei einer Variante wird während und/oder nach einer formerzeugenden Honoperation eine Vermessung der Bohrungsform zur Ermittlung von Form-Istwerten durchgeführt. Eine Differenz zwischen den Form-Istwerten und der Sollform wird zur Korrektur der Steuerung der Zustellung verarbeitet.
In der WO 2014/146919 A1 wird ein Honverfahren zum Formhonen beschrieben, bei dem eine in Bezug auf die Bohrungsachse rotationssymmetrische Bohrung erzeugt wird, die in der Nähe des Bohrungseintritts einen engeren zylindrischen Bohrungsabschnitt und daran anschließend, also weiter entfernt vom Bohrungseintritt, einen sich erweiternden Bohrungsabschnitt mit axial veränderlichem Durchmesser aufweist. In der Anmeldung werden auch Honwerkzeuge be- schrieben, die mindestens eine ringförmige Schneidgruppe mit Schneidstoffkörpern aufweisen, die als in Umfangsrichtung breite und in Axialrichtung schmale Honsegmente gestaltet sind. Bei Verwendung derartiger Honwerkzeuge lassen sich Bohrungsformen mit axialem Konturverlauf besonders präzise und wirtschaftlich bearbeiten.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Honverfahren der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, das es erlaubt, an Bohrungen, die im fertig bearbeiten Zustand einen axialen Konturverlauf haben sollen, den gewünschten Konturverlauf über die gesamte relevante Bohrungslänge mit ausreichender Präzision zu erzeugen. Weiterhin soll eine zur Durchführung des Honverfahrens geeignete Bearbeitungsanlage bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Honverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch eine Bearbeitungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei dem Honverfahren wird mittels Honen eine in Bezug auf eine Bohrungsachse rotationssymmetrische Bohrung erzeugt, deren Form von einer Kreiszylinderform abweicht. Die Bohrung hat einen kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitt sowie daran anschließend einen nicht- kreiszylindrischen zweiten Bohrungsabschnitt, dessen Durchmesser sich in Axialrichtung ändert. Der kreiszylindrische erste Bohrungsabschnitt befindet sich in der Regel unmittelbar an der Eintrittsseite der Bohrung, während der zweite Bohrungsabschnitt weiter entfernt vom Bohrungseintritt liegt und im Vergleich zum ersten Bohrungsabschnitt einen größeren Durchmesser hat, so dass sich die Bohrung in Richtung des eintrittsfernen Bohrungsendes mindestens über einen Abschnitt erweitert. Weitere Bohrungsabschnitte können vorhanden sein.
Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass die nach Abschluss der Honbearbeitung gewünschte Soll-Form der Bohrung mit besonders hoher Präzision erreicht werden kann, wenn eine besondere Nachmessstrategie angewendet wird und deren Messergebnisse bei der Bearbeitung weiterer Werkstücke berücksichtigt werden. Dabei wird eine Messung des Durchmessers des (kreiszylindrischen) ersten Bohrungsabschnitts in mindestens einer ersten Messebene im Bereich des ersten Bohrungsabschnitts durchgeführt, um einen ersten Durchmesserwert zu ermitteln. Weiterhin wird eine Messung des Durchmessers des zweiten Bohrungsabschnitts in mindestens einer zweiten Messebene im Bereich des zweiten Bohrungsabschnitts durchgeführt, um einen zweiten Durchmesserwert zu ermitteln. Die Reihenfolge dieser Messschritte ist grundsätzlich beliebig, häufig ist es jedoch zweckmäßig, zuerst im ersten Bohrungsabschnitt und danach im zweiten Bohrungsabschnitt zu messen. Der zweite Durchmesserwert wird dann unter Verwendung des ersten Durchmesserwerts bewertet, um Ist-Formwerte zu ermitteln, die eine Ist-Form der Bohrung repräsentieren. Bei diesem Bewertungsschritt wird somit der zweite Durchmesserwert mit Bezug zu dem im kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitt ermittelten ersten Durchmesserwert bewertet. Der erste Durchmesserwert kann bei dem Bewertungsschritt somit als werkstückinterner Bezugswert für die Dimensionsbestimmung dienen. Die auf diese Weise ermittelten Ist-Formwerte werden dann mit Soll-Formwerten verglichen, um Formabweichungswerte zu ermitteln. Eine nachfolgende Honoperation wird dann in Abhängigkeit von den Formabweichungswerten gesteuert.
Eine Besonderheit dieser Vorgehensweise liegt darin, dass durch diese Nachmessstrategie der im kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitt ermittelte erste Durchmesserwert als Bezugswert für die Bewertung derjenigen Durchmesserwerte genutzt wird, welche in dem (in der Regel schwieriger zu beurteilenden) nicht-kreiszylindrischen zweiten Bohrungsabschnitt durch Messung ermittelt werden. Der erste Bohrungsabschnitt bzw. der darin ermittelte erste Durchmesserwert dient somit als werkstückinterne Referenz für die gesamte Messung.
Es kann ausreichen, den Durchmesser des ersten Bohrungsabschnitts nur in einer einzigen Messebene zu messen, beispielsweise im mittleren Bereich des ersten Bohrungsabschnitts. Eine wesentliche Verbesserung der Präzision wird bei Ausführungsformen erreicht, bei welchen beim Messen des Durchmessers des ersten Bohrungsabschnitts in zwei oder mehr axial zueinander versetzten ersten Messebenen jeweils ein erster Durchmesser gemessen wird und zur Ermittlung des ersten Durchmesserwerts ein Mittelwert der ersten Durchmesser gebildet wird. Die Referenzierung an den Durchmesserwerten des ersten Bohrungsabschnitts wird hierdurch weniger anfällig für zufällige Fehlmessungen oder zufällige lokale Formabweichungen innerhalb des ersten Bohrungsabschnitts. Üblicherweise wird der arithmetische Mittelwert mehrerer Messungen ermittelt. Obwohl Messungen in zwei zueinander axial versetzten ersten Messebenen ausreichen können, wird vorzugsweise an drei oder mehr ersten Messebenen gemessen. Insbesondere kann an genau drei ersten Messebenen gemessen werden. Hierdurch kann ein guter Kompromiss zwischen der erzielbaren Messgenauigkeit und der für die Messung insgesamt erforderlichen Messzeit erzielt werden.
Auch bei der Messung des zweiten Durchmessers kann es ausreichen, lediglich in einer einzigen zweiten Messebene an einer vorab definierten Axialposition zu messen. Zur Verringerung der Messunsicherheit bzw. zur Verbesserung der Präzision ist jedoch vorzugsweise vorgesehen, dass beim Messen des Durchmessers des zweiten Bohrungsabschnitts in zwei oder mehr axial zueinander versetzten zweiten Messebenen jeweils ein zweiter Durchmesser gemessen wird und ein axialer Konturverlauf des zweiten Bohrungsabschnitts unter Verwendung dieser Mehrzahl von zweiten Durchmessern ermittelt wird. Auch hier können Messungen an zwei axial zueinander versetzten Messebenen ausreichen, wobei jedoch drei oder mehr Messungen an drei oder mehr axial versetzten zweiten Messebenen präzisere Messergebnisse liefern können. Beispielsweise können auf diese Weise präzise Aussagen zur Gleichmäßigkeit einer Konusform, einer Trompetenform oder einer Glockenform des zweiten Bohrungsabschnitts getroffen werden.
Bei einer Verfahrensvariante wird beim Messen des Durchmessers des zweiten Bohrungsabschnitts ein zweiter Durchmesser in einem vom ersten Bohrungsabschnitt entfernten Endabschnitt des zweiten Bohrungsabschnitts gemessen und aus dem zweiten Durchmesser im Endabschnitt und dem ersten Durchmesserwert ein Vorweitewert ermittelt. Die„Vorweite" ist in dieser Anmeldung als Differenz zwischen dem Bohrungsdurchmesser am eintrittsfernen Bohrungsende und dem Bohrungsdurchmesser im zylindrischen Bohrungsabschnitt definiert. Der Vorweitewert kann beispielsweise aus der Differenz zwischen dem im Endbereich ermittelten zweiten Durchmesser und dem ersten Durchmesserwert ermittelt werden. Der für die Messung vorgesehene Endabschnitt befindet sich vorzugsweise im eintrittsfernen Drittel oder im eintrittsfernen Viertel der axialen Länge des zweiten Bohrungsabschnitts, also in relativ großer axialer Entfernung zum ersten Bohrungsabschnitt.
Bei einer Verfahrensvariante, bei welcher Messungen in mehreren Messebenen des ersten und des zweiten Bohrungsabschnitts durchgeführt werden, wird vorzugsweise ein axiales Messintervall zwischen benachbarten zweiten Messebenen so gewählt, dass dieses axiale Messintervall kleiner ist als ein axiales Messintervall zwischen benachbarten ersten Messebenen. Es wird also im nicht-kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt mit einer höheren axialen Auflösung (bzw. mit geringerem Abstand zwischen benachbarten Messebenen) gemessen, während im kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitt ein gröberes Raster an Messebenen vorgesehen sein kann. Hierdurch kann die für die Messung insgesamt benötigte Messzeit ohne substanziellen Verlust der Messgenauigkeit optimiert werden. Ein axiales Messintervall zwischen unmittelbar benachbarten Messebenen kann z.B. im zweiten Bohrungsabschnitt 50% oder weniger und/oder 40% oder weniger und/oder 30% oder weniger als ein axiales Messintervall im ersten Bohrungsabschnitt betragen. Es ist auch möglich, ein umgekehrtes Verhältnis der axialen Messintervalle (gröbere Rasterung im zweiten Bohrungsabschnitt) zu wählen oder über die gesamte Bohrungslänge mit dem gleichen axialen Messintervall zu arbeiten. Vorzugsweise werden erste Durchmesserwerte und zweite Durchmesserwerte einer Bohrung in Form eines die Ist-Form der Bohrung repräsentierenden Datensatzes in einem Speicher einer Steuereinrichtung gespeichert. Die Werte werden dadurch für eine spätere Weiterverarbeitung verfügbar.
Bei bevorzugten Varianten werden in einer Messebene die zugehörigen Durchmesserwerte in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Messrichtungen gemessen. Die so erhaltenen Messwerte können gemittelt werden. Diese Art der Messung erlaubt auch Hinweise auf mögliche kritische Formabweichungen, also Abweichungen von der gewünschten rotationssymmetrischen Bohrungsform. Es kann auch ausreichen, jeweils nur in einer einzigen diametralen Messrichtung zu messen.
Für die Messungen können unterschiedliche Messtechniken genutzt werden. Beispielsweise wären taktile Messungen, kapazitive oder induktive Messungen oder andere elektromagnetische Messungen möglich. Vorzugsweise werden jedoch die Messungen mit einem pneumatischen Messsystem durchgeführt. Berührungslos arbeitende pneumatische Messsysteme mit ausreichender Messgenauigkeit sind verfügbar und ausreichend robust, um auch im fertigungsnahen Bereich dauerhaft eingesetzt werden zu können.
Das Honverfahren kann mit unterschiedlich gestalteten Honwerkzeugen durchgeführt werden. Vorzugsweise wird bei der Bearbeitung ein aufweitbares Honwerkzeug verwendet, welches in einem spindelfernen Endbereich eines Werkzeugkörpers eine aufweitbare, ringförmige Schneidgruppe mit mehreren um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern aufweist, wobei eine axiale Länge der Schneidstoff körper kleiner ist als der wirksame Außendurchmesser der ringförmigen Schneidgruppe bei vollständig zurückgezogenen Schneidstoffkörpern. Beispiele geeigneter Honwerkzeuge mit einer oder zwei ringförmigen Schneidgruppen sowie mit einfacher Aufweitung oder Doppel-Aufweitung sind in der WO 2014/146919 A1 angegeben. Der Offenbarungsgehalt der WO 2014/146919 A1 wird insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Alternativ sind z.B. auch piezoelektrisch gesteuerte Honwerkzeuge verwendbar.
Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung des Honverfahrens konfigurierte Bearbeitungsanlage. Es kann sich dabei um eine Honanlage mit einer spezialisierten Honmaschine oder um eine Bearbeitungsanlage mit einer anderen Werkzeugmaschine handeln, die die hier benötigten Funktionalitäten bietet. Vorzugsweise hat die Bearbeitungsanlage eine von einer Honeinheit gesonderte Nachmessstation, zu der das Werkstück nach Ende der Bearbeitung für die Messung transferiert wird. An der Nachmessstation sind Messungen ggf. zeitlich überlapppend mit einer Honbearbeitung möglich Die Durchmessermessungen können bei anderen Varianten auch mittels eines in ein Honwerkzeug integrierten Messsystems durchgeführt werden.
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.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer zylindrischkonischen Bohrung mit einen eintrittsseitigen kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitt und einen eintrittsfernen konischen zweiten Bohrungsabschnitt;
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Honwerkzeugs bei der Bearbeitung einer zylindrisch-konischen Bohrung;
Fig. 3 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Nachmessstrategie; und
Fig. 4 zeigt einen pneumatischen Messdorn bei der Durchführung einer Messung in der Bohrung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele von Honverfahren beschrieben, die im Rahmen von Ausführungsformen der Erfindung genutzt werden können, um rotationssymmetrische Bohrungen mit axialem Konturverlauf mit hoher Präzision zu erzeugen.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer solchen Bohrung 1 10 in einem Werkstück 100 in Form eines Motorblocks (Zylinderkurbelgehäuses) für eine Brennkraftmaschine. Die Soll-Form der Bohrung ist in Bezug auf ihre Bohrungsachse 1 12 rotationssymmetrisch und erstreckt sich über eine Bohrungslänge L von einem im Einbauzustand dem Zylinderkopf zugewandten Bohrungseintritt 1 14 bis zum Bohrungsaustritt 1 16 an gegenüberliegenden Ende. Die Bohrung kann in mehrere aneinander angrenzende Abschnitte unterschiedlicher Funktion unterteilt werden, die gleitend, d.h. ohne Bildung von Stufen oder Kanten, ineinander übergehen.
Ein erster Bohrungsabschnitt 120 am eintrittsseitigen Ende hat einen ersten Soll-Durchmesser DS1 und eine erste Länge L1. Der erste Soll-Durchmesser liegt über die gesamte erste Länge L1 vor, so dass der erste Bohrungsabschnitt eine kreiszylindrische Gestalt hat. Der erste Bohrungsabschnitt geht in einen axial schmalen Übergangsabschnitt mit Übergangsradius R1 stufenlos in einen zweiten Bohrungsabschnitt 130 über, der sich vom Übergangsabschnitt bis zum austrittsseitigen Ende der Bohrung erstreckt. Der zweite Bohrungsabschnitt 130 hat im Wesentlichen eine konische bzw. kegelstumpfförmige Gestalt und erstreckt sich über eine zweite Länge L2. Der zweite Bohrungsabschnitt hat durchgängig einen Innendurchmesser (zweiter Soll- Durchmesser) DS2, der größer als der erste Soll-Durchmesser DS1 ist, wobei der zweite Soll- Durchmesser ausgehend vom Übergangsabschnitt zum Bohrungsende hin in Axialrichtung kontinuierlich linear zunimmt. Der Konuswinkel α (Winkel zwischen der Bohrungsachse und einer in einer Axialebene verlaufenden Mantellinie des zweiten Bohrungsabschnitts) kann z.B. im Bereich von weniger als 1 ° liegen, ggf. auch bei weniger als 0.2°. Die Differenz zwischen dem Soll- Durchmesser DS1 in zylindrischen Bohrungsabschnitt und dem Soll-Durchmesser am Bohrungsaustritt 1 16 wird hier als Sollwert für die„Vorweite" bezeichnet.
Die erste Länge L1 kann beispielsweise zwischen 10% und 60% der Bohrungslänge L betragen. Die zweite Länge L2 ist typischerweise größer als die erste Länge und liegt häufig zwischen 30% und 80% der Bohrungslänge L. Der Übergangsabschnitt ist gegenüber den daran angrenzenden Bohrungsabschnitten sehr kurz. Auch Abweichungen von diesen geometrischen Verhältnissen sind möglich.
Der Durchmesserunterschied zwischen dem ersten Soll-Durchmesser DS1 und dem zweiten Soll-Durchmesser DS2 in eintrittsferneren Teilen liegt deutlich außerhalb der für die Honbearbeitung typischen Toleranzen, die für eine Zylinderform in der Größenordnung von maximal 10 μηη (bezogen auf den Durchmesser) liegen. Bei einem Absolutwert des Innendurchmessers in der Größenordnung zwischen 50 mm und 500 mm (letzteres z.B. bei Schiffsmotoren) kann der maximale Durchmesserunterschied (also die Vorweite) beispielsweise zwischen 20 μηη und 500 μηη liegen.
Die Längen der äußeren Bohrungsabschnitte und der Radius des Übergangsabschnitts können so optimiert sein, dass sich in typischen Betriebszuständen des Motors geringer Blow-by, geringer Ölverbrauch und geringer Verschleiß der Kolbenringe ergeben. Die Form der Bohrung führt dazu, dass die Bohrung im eintrittsnahen Bereich vergleichsweise eng ist, so dass die Kolbenringe des in der Bohrung laufenden Kolbens unter hoher Ringspannung an die Bohrungsinnenfläche 1 18 gedrückt werden. Dadurch wird dort, wo die Verbrennung hauptsächlich erfolgt und hohe Drücke auftreten, eine zuverlässige Abdichtung erreicht und der Ölfilm wird im Abwärtshub abgestreift. Der durch die Verbrennung beschleunigte Kolben bewegt sich dann Richtung Bohrungsaustritt, wobei die Kolbenringe zunächst den Übergangsabschnitt und dann den konischen zweiten Bohrungsabschnitt mit dem sich kontinuierlich erweiterten Innendurchmesser durchlaufen. Ab dem Übergangsabschnitt können sich die Kolbenringe allmählich entspannen, wobei die Abdichtung ausreichend bleibt, weil die Druckdifferenz an den Kolbenringen sinkt. Am eintrittsfernen Ende des zweiten Bohrungsabschnitts erreicht das Ringpaket seine niedrigste Spannung. Beim Aufwärtshub nimmt die Ringspannung dann allmählich wieder zu, bis die Kolbenringe den Übergangsabschnitt erreichen und diesen in Richtung des ersten Bohrungsabschnitts durchlaufen. Weiterhin wird berücksichtigt, dass eine durch Wärmeeinflüsse verursachte Aufweitung der Zylinderlaufbahn im oberen, zylindrischen Teil der Bohrung stärker ist als im konischen Bereich. Dadurch ergibt sich im befeuerten Zustand insgesamt eine weitgehend zylindrische bzw. deutlich weniger konische Bohrungsform als im kalten Zustand.
Bei einem Honverfahren zur Erzeugung dieser zylindrisch-konischen Bohrungsformen wird bei einem Ausführungsbeispiel zunächst eine durchgehend (über die gesamte Bohrungslänge L) kreiszylindrische Bohrung mit einem geringen Untermaß bezogen auf den Soll-Durchmesser SD1 im ersten Bohrungsabschnitt erzeugt. Hierzu kann beispielsweise ein Langhub- Honwerkzeug mit relativ langen Honleisten verwendet werden. Diese Honoperation kann als Zwischenhonoperation nach einer vorhergehenden Vorhonoperation durchgeführt werden.
Bei einer anschließenden Honoperation, mit welcher u.a. die zum Bohrungsende sich erweiternde konische Form im zweiten Bohrungsabschnitt erzeugt wird, wird dann ein Honwerkzeug der in Fig. 2 gezeigten Art verwendet. Das Honwerkzeug 200 weist eine einzige ringförmige Schneidgruppe 220 mit um den Umfang des Werkzeugkörpers verteilten Schneidstoffkörpern auf, die mittels eines nicht näher dargestellten Schneidstoffkörper-Zustellsystems in Radialrichtung zur Werkzeugachse 212 zugestellt bzw. zurückgezogen werden können (siehe Doppelpfeile). Die Schneidstoffkörper sind als Honsegmente gestaltet, deren Breite in Umfangsrichtung deutlich größer ist als ihre Länge in Axialrichtung. Dadurch sind die für den Materialabtrag am Werkstück zuständigen Schneidstoffkörper in einer axial relativ schmalen Zone, d.h. einem Ring der Schneidgruppe, konzentriert und nehmen einen relativ großen Anteil des Umfangs des Honwerkzeugs ein. Dadurch können mit relativ hoher Materialabtragsleistung Bohrungsformen erzeugt werden, bei denen in Axialrichtung Bohrungsabschnitte unterschiedlicher Durchmesser aneinander angrenzen. Das Honwerkzeug wird im Beispielsfall gelenkig an die Honspindel einer Honmaschine angekoppelt, um eine begrenzte Beweglichkeit des Honwerkzeugs gegenüber der Honspindel zuzulassen. Hierzu ist am spindelseitigen Ende des Honwerkzeugs ein mehrachsiges Gelenk 210 ausgebildet, zum Beispiel ein kardanisches Gelenk oder ein Kugelgelenk.
Bei anderen Varianten ist eine starre Werkzeugausführung (ohne Gelenk) in Verbindung mit einer starren Antriebsstange, einer Biegestange oder einer Schwimmkopfstange vorgesehen.
Es können im Prinzip alle für diesen Prozess geeigneten Typen von Honwerkzeugen verwendet werden, insbesondere solche Honwerkzeuge, wie sie in der WO 2014/146919 A1 der Anmelderin offenbart sind. Der diesbezügliche Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung wird durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht.
Um ausgehend von einer durchgehend kreiszylindrischen Bohrungsform die gewünschte zylindrisch-konische Bohrungsform zu erzielen, kann beispielsweise eine hubabhängige Steuerung der Aufweitung des Honwerkzeugs in der Weise durchgeführt werden, dass eine Steuerung des Zustellsystems für die radiale Zustellung der Schneidstoffkörper mit der Steuerung für die Hubposition (in Axialrichtung) gekoppelt wird. Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass die Zustellkraft und/oder die Zustellgeschwindigkeit von Schneidstoffkörpern des Honwerkzeugs in Abhängigkeit von der Hubposition des Honwerkzeugs gesteuert werden. Im konischen Teil (zweiter Bohrungsabschnitt) würde dann die Zustellkraft bei Abwärtsbewegung des Honwerkzeugs (in Richtung Bohrungsaustritt 1 16) zunehmen und bei Aufwärtsbewegung (in Richtung des ersten Bohrungsabschnitts) abnehmen. Andere Verfahrensführungen sind ebenfalls möglich, insbesondere solche, wie sie in der WO 2014/146919 A1 beschrieben sind.
Nach Abschluss der Honoperation, durch welche die gewünschte Bohrungsform erzeugt wird, wird bei bevorzugten Varianten an einer von der Honeinheit gesonderten Nachmessstation eine Nachmessoperation am fertig bearbeiteten Werkstück durchgeführt. Sofern die Messung ergibt, dass die Werte um mehr als 30%, 40%, 50% oder 60% das erlaubte Toleranzfeld der gemessenen Ist-Form der Bohrung ausnutzen (z.B. bei 40% Ausnutzung ergibt sich eine Toleranzreserve von jeweils 30% zur oberen und unteren Toleranzgrenze), können entsprechende Kompensationssignale erzeugt werden, um bei der darauffolgenden Honbearbeitung einer nächsten Bohrung mit geänderten Honparametern zu arbeiten und dadurch die gewünschte Soll-Form mit besserer Präzision zu erreichen. Bei einem im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 näher erläuterten Honverfahren werden Maßnahmen getroffen, um sicherzustellen, dass im Rahmen der Toleranzen immer das gleiche Verhältnis zwischen den Durchmesserdimensionen des kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitts 120 und den Dimensionen des konischen zweiten Bohrungsabschnitts 130 herrscht. Weiterhin soll sichergestellt werden, dass die Absolutwerte der Durchmesser im kreiszylindrischen Bohrungsabschnitt und im konischen Bohrungsabschnitt zuverlässig erfasst werden können. Bei außerhalb des erlaubten Bereichs (Kriterium der Kompensation) liegenden Abweichungen zwischen der gemessenen Ist-Form und der angestrebten Soll-Form ist eine automatische Korrektur des Honprozesses für die Bearbeitung nachfolgender Bohrungen vorgesehen.
Bei dem Beispiel aus Fig. 3 wird der Durchmesser des nominell kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitts 120 in drei axial gegeneinander versetzten Messebenen M1 -1 , M1 -2 und M1 -3 gemessen. Diese liegen in gleichmäßigen axialen Abständen jeweils um ein erstes Messintervall MI-1 axial versetzt zueinander. Die entsprechenden Durchmesserwerte werden als D1 , D2 und D3 bezeichnet. Der Durchschnittswert dieser drei Messungen ergibt den effektiven ersten Durchmesser Deff gemäß der Vorschrift Deff = (D1 +D2+D3)/3. Der effektive Durchmesser wird als erster Durchmesserwert zur Beschreibung der Ist-Form gespeichert. Auch die einzelnen Messwerte D1 , D2 und D3 werden gemeinsam mit den zugehörigen Axialpositionen der Messebenen gespeichert. Der so ermittelte erste Durchmesserwert Deff dient als Bezug für die Durchmesserwerte im konischen zweiten Bohrungsabschnitt.
Zur Messung des konischen zweiten Bohrungsabschnitts 130 werden Durchmessermessungen in drei axial zueinander versetzten zweiten Messebenen M2-1 , M2-2 und M2-3 durchgeführt, um die zugehörigen zweiten Durchmesserwerte D4, D5 und D6 zu bestimmen. Die zweiten Messebenen liegen in gleichmäßigen axialen Abständen jeweils um ein zweites Messintervall MI-2 axial versetzt zueinander. Die so erhaltenen zweiten Durchmesserwerte (D4, D5 und D6) werden dann in einer Vergleichsoperation automatisch unter Verwendung des ersten Durchmesserwerts (Deff) bewertet, um daraus Ist-Formwerte zu ermitteln, die die vorliegende zylindrisch-konische Ist-Form der Bohrung repräsentieren. Aus einem Vergleich der Ist-Formwerte mit durch die Spezifikation vorgegebenen Soll-Formwerten werden Formabweichungswerte ermittelt. Nachfolgende Honoperationen werden dann in Abhängigkeit von den Formabweichungswerten gesteuert. Dadurch ist es unter anderem möglich, bei Durchmesserabweichungen des konischen Bohrungsabschnitts im Verhältnis zum zylindrischen Teil der Zylinderbohrung (erster Bohrungsabschnitt) eine Durchmesserkompensation durchzuführen.
Alternativ oder zusätzlich kann der effektive Durchmesser Deff, welcher für den zylindrischen ersten Bohrungsabschnitt 120 ermittelt wurde, mit demjenigen Durchmesserwert D6 verglichen werden, der in der am weitesten vom Bohrungseintritt entfernten zweiten Messebene M2-3 in einem bohrungsfernen Endabschnitt EA des zweiten Bohrungsabschnitts ermittelt wurde. Bei bekannten Axialposition der Messebene M2-3 kann die Differenz des effektiven Durchmessers Deff im ersten Bohrungsabschnitt zum Durchmesser D6 in der untersten Messebene M2-3 zur Berechnung der tatsächlichen Vorweite der Bohrungsform, also die Ist-Vorweite, genutzt werden. Die Differenz der Ist-Vorweite zur Soll-Vorweite wird beim nächsten Bearbeitungstakt im Bedarfsfall kompensiert. Das gleiche gilt für Abweichungen des Durchmessers im zylindrischen Bereich.
Ein mögliches Korrekturszenario bzw. Kompensationsszenario wird nachfolgend anhand von Tabelle 1 erläutert. Hierbei wird von einem Honprozess ausgegangen, bei welchem zunächst in einer Zwischenhon-Operation ZH mittels Honen eine kreiszylindrische Bohrungsform erzeugt wird und danach in einer Formhon-Operation FH die gewünschte Bohrungsform mit zylindrischem ersten Bohrungsabschnitt und konischem zweiten Bohrungsabschnitt durch axial unterschiedlich starken Materialabtrag im zweiten Bohrungsabschnitt erzeugt wird.
Tabelle 1
In der Tabelle wird in den Spaltenüberschriften der kreiszylindrische erste Bohrungsabschnitt bzw. der zylindrische Bereich mit„ZB" und der konische zweite Bohrungsabschnitt bzw. der konische Bereich mit„KB" abgekürzt. Das Kürzel KOMP-ZH steht für eine Kompensation in der Zwischenhon-Stufe, während das Kürzel KOMP-FH für eine Kompensation in der Formhon- Stufe steht. Der Begriff Kompensation bedeutet hierbei, dass die Honparameter im Verhältnis zu den Honparametern der vorhergehenden Bearbeitung verändert werden, um eine festgestellte Abweichung von der Soll-Form bei der nächsten Honbearbeitung möglichst zu vermeiden oder zu verkleinern. Das Kürzel VW steht für den ermittelten Ist-Wert der Vorweite. In den rechten Spalten bedeutet„0", dass keine Verstellung bzw. Kompensation erfolgt, während„+" für eine Vorstellung der Kompensation und „-" für eine Zurückstellung der Kompensation steht. Dort, wo in der rechten Spalte zwei„+"-Zeichen oder zwei„-„ Zeichen stehen, wird ein doppelter Korrekturschritt durchgeführt, um die Verstellung in der Zwischenhon-Stufe ZH zu kompensieren, wenn sowohl im zylindrischen Bereich als auch im konischen Bereich kompensiert werden muss.
Aus der zweiten Zeile ergibt sich beispielsweise, welche Maßnahmen durch die Steuerung eingeleitet werden, wenn die Messung ergibt, dass der Durchmesser (Symbol„0") im zylindrischen Bereich ZB zwar in Ordnung („i.O") bzw. im Rahmen der Toleranzen ist, die Vorweite VW jedoch zu klein ist. In diesem Fall bleibt die Zwischenhon-Operation ZH bei der Bearbeitung des nachfolgenden Werkstücks unverändert (Kompensation =„0"), während die Honparameter für das Formhonen FH im Sinne einer Vorstellung der Kompensation so verändert werden, dass sich eine stärkere Aufweitung in Richtung des eintrittsfernen Bohrungsendes ergibt. Die anderen Zeilen der Tabelle sind entsprechend zu interpretieren.
Für eine dauerhafte Erfassung des Bohrungsgeometrie beim Formhonen während des Serienbetriebs ist bei einer Bearbeitungsanlage vorgesehen, der Honmaschine eine Nachmessstation nachzuschalten, in welcher die fertig gehonten Bauteile mithilfe eines pneumatischen Mess- dorns (d.h. durch Luftmessen) vermessen werden können. Es ist eine Rückführung der Messergebnisse in die Steuerung der Honmaschine vorgesehen, um auf eventuelle Formabweichungen unmittelbar bei der Bearbeitung des nächsten Werkstücks reagieren zu können. Die Nachmessstation ist so konfiguriert, dass auch der axiale Konturverlauf erfasst und ausgewählt werden kann.
Sofern ein Messsystem beispielsweise mit einem pneumatischen Messdorn 400 gemäß Fig. 4 verfügbar ist, kann das System durch Änderungen in der Steuerungssoftware, d.h. durch Änderung des Prüfplans, auch zur Erfassung der axialen Kontur in der Zylinderbohrung verwendet werden. Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 4 stehen zwei Messkanäle mit je zwei zueinander diametral angeordneten Messdüsen 410-A1 , 410-A2 (Messrichtung A) und 410-B1 zur Verfügung, um den Durchmesser in zwei zueinander senkrechten Messrichtungen A und B messen zu können. Pneumatische Messdorne arbeiten nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip. Für die Messung wird Druckluft aus den Messdüsen in Richtung Bohrungswandung geblasen. Der sich ergebende Staudruck im Bereich der Messdüsen kann als Maß für den Abstand der Messdüse zu Bohrungswandung dienen. Ein mit der Messdüse über eine Druckleitung verbundener Messwandler sorgt für eine Umwandlung des (pneumatischen) Drucksignals in ein elektrisch weiterverarbeit- bares Spannungssignal. Anstelle des Drucks kann auch der Volumenstrom der Druckluft zur Auswertung genutzt werden. Mittels zweier diametral gegenüberliegender Messdüsen kann bei einem gegebenen diametralen Abstand zwischen den Messdüsen der Bohrungsdurchmesser in der Messebene ermittelt werden. Pneumatische Messdorne ermöglichen ein berührungsloses, vom Werkstoff des Messobjekts unabhängiges Messen und im Rahmen ihres Messbereichs hohe Messgenauigkeiten, die im Falle von Nachmesseinheiten in der Regel deutlich unterhalb eines Mikrometers liegen, beispielsweise im Bereich von 0,2 μηι bis 0,3 μηι bei wiederholter Messung.
Abweichend von der schematischen Darstellung in Fig. 3 wird bei einem bevorzugten Verfahren die Messung so gesteuert, dass die axialen Messintervalle MI-2 zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Messebenen in dem zweiten Bohrungsabschnitt 130, in welchem sich der Durchmesser beispielsweise kontinuierlich ändert, kleiner sind die Messintervalle MI-1 im kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitt 120, in welchem der Durchmesser in allen Axialpositionen nominell gleich ist. Beispielsweise kann durch ein Messintervall von z.B. 3 mm im zweiten Bohrungsabschnitt 130 die von der Kreiszylinderform abweichende konische Bohrungsform sehr genau erfasst werden. In Kombination mit einem größeren Messintervall (z.B. von 10 mm) im kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitt 120 ist eine Erfassung und Auswertung auch über die gesamte Bohrungslänge L möglich. Für jeden Messpunkt bzw. jede Messebene sind zulässige Minimalwerte und Maximalwerte vorgegeben. Bei Abweichungen erfolgt eine Kompensation an der jeweiligen Honspindel beispielsweise in derjenigen Weise, die im Zusammenhang mit Tabelle 1 erläutert wurde. Zusätzlich können die Werte einer Bohrung weiterverarbeitet, in einem Diagramm dargestellt und in einer Datenbank dauerhaft abgelegt werden.
Bei derzeit verfügbaren Luftmesssystemen kann eine Verweilzeit in der jeweiligen Messebene in der Größenordnung von 0,5 s ausreichen, um ausreichend genaue Messwerte zu erhalten. Dadurch ist eine sichere Erfassung der Durchmesser in einer serienüblichen Taktzeit von beispielsweise 25 bis 30 s gut möglich. Die Messrichtung ist dabei im Übrigen frei wählbar, so dass sowohl vom eintrittsseitigen Ende zum eintrittsfernen Ende als auch vom (breiteren) eintrittsfernen Ende hin zum (engeren) Bohrungseintritt gemessen werden kann. Bei der beispielhaft dargestellten Ausführungsform ist die erwünschte axiale Kontur im zweiten Bohrungsabschnitt die Kontur eines einfachen Konus mit kontinuierlicher (linearer) Durchmesservergrößerung von Ende des ersten Bohrungsabschnitts in Richtung Bohrungsende. Es sind auch andere Bohrungsformen möglich, z.B. eine Trompetenform oder eine Glockenform bzw. Flaschenform einer Bohrung. Bei einer Flaschenform könnte sich z.B. an einen konischen zweiten Bohrungsabschnitt in Richtung des eintrittsfernen Bohrungsendes ein dritter Bohrungsabschnitt anschließen, der kreiszylindrisch ist oder einen anderen Konuswinkel als der zweite Bohrungsabschnitt aufweisen kann.

Claims

Patentansprüche
1 . Honverfahren zur Bearbeitung der Innenfläche einer Bohrung (1 10) in einem Werkstück (100) mithilfe mindestens einer Honoperation, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, worin
während einer Honoperation ein an eine Spindel angekoppeltes, aufweitbares Honwerkzeug (200) innerhalb der Bohrung zur Erzeugung einer Hubbewegung in Axialrichtung der Bohrung hin und her bewegt und gleichzeitig zur Erzeugung einer der Hubbewegung überlagerten Drehbewegung um eine Werkzeugachse gedreht wird, und
eine in Bezug auf eine Bohrungsachse (1 12) rotationssymmetrische, von der Kreiszylinderform abweichende Bohrung erzeugt wird, die einen kreiszylindrischen ersten Bohrungsabschnitt (120) und daran anschließend einen nicht-kreiszylindrischen zweiten Bohrungsabschnitt (130) mit axial veränderlichem Durchmesser aufweist,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Messen des Durchmessers des ersten Bohrungsabschnitts (120) in mindestens einer ersten Messebene (M1 -1 , M1 -2, M1 -3) zur Ermittlung eines ersten Durchmesserwerts;
Messen des Durchmessers des zweiten Bohrungsabschnitts (130) in mindestens einer zweiten Messebene (M2-1 , M2-2, M2-3) zur Ermittlung eines zweiten Durchmesserwerts;
Bewerten des zweiten Durchmesserwerts unter Verwendung des ersten Durchmesserwerts zur Ermittlung von Ist-Formwerten, die eine Ist-Form der Bohrung repräsentieren;
Vergleichen der Ist-Formwerte mit Soll-Formwerten zur Ermittlung von Formabweichungswerten;
Steuern einer nachfolgenden Honoperation in Abhängigkeit von den Formabweichungswerten.
2. Honverfahren nach Anspruch 1 , worin beim Messen des Durchmessers des ersten Bohrungsabschnitts in zwei oder mehr axial zueinander versetzten ersten Messebenen (M1 -1 bis M1 -3) jeweils ein erster Durchmesser gemessen wird und zur Ermittlung des ersten Durchmesserwerts ein Mittelwert der ersten Durchmesser gebildet wird, wobei vorzugsweise der erste Durchmesser in genau drei axial zueinander versetzten Messebenen gemessen wird.
3. Honverfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin beim Messen des Durchmessers des zweiten Bohrungsabschnitts (130) in zwei oder mehr axial zueinander versetzten zweiten Messebenen (M2-1 , M2-2, M2-3) jeweils ein zweiter Durchmesser gemessen wird und ein axialer Konturverlauf des zweiten Bohrungsabschnitts unter Verwendung der zweiten Durchmesser ermittelt wird.
4. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin beim Messen des Durchmessers des zweiten Bohrungsabschnitts (130) ein zweiter Durchmesser (D6) in einem vom ersten Bohrungsabschnitt (120) entfernten Endabschnitt (EA) des zweiten Bohrungsabschnitts gemessen wird und aus dem zweiten Durchmesser im Endabschnitt und dem ersten Durchmesserwert ein Vorweitewert ermittelt wird.
5. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin erste Durchmesserwerte und zweite Durchmesserwerte einer Bohrung in Form eines die Ist-Form der Bohrung repräsentierenden Datensatzes in einem Speicher einer Steuereinrichtung gespeichert werden.
6. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin in einer Messebene zugehörige Durchmesserwerte in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Messrichtungen gemessen werden.
7. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin bei Messungen in mehreren Messebenen des ersten Bohrungsabschnitts (120) und des zweiten Bohrungsabschnitts (130) ein axiales Messintervall (MI-2) zwischen benachbarten zweiten Messebenen kleiner ist als ein axiales Messintervall (MI-1 ) zwischen benachbarten ersten Messebenen, insbesondere weniger als halb so groß.
8. Honverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Messungen mit einem pneumatischen Messsystem durchgeführt werden.
9. Bearbeitungsanlage zur Feinbearbeitung einer Innenfläche einer Bohrung (1 10) in einem Werkstück (100) mithilfe mindestens einer Honoperation, insbesondere zum Honen von Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Zylinderblöcken oder Zylinderlaufbuchsen für Hubkolbenmaschinen, mit mindestens einer Spindel zur Bewegung eines an die Spindel angekuppelten Honwerkzeuges (200) innerhalb der Bohrung derart, dass durch mindestens einen an dem Honwerkzeug angebrachten Schneidstoffkörper eine Bearbeitung der Innenfläche erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsanlage dafür konfiguriert ist, ein Honverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 an dem Werkstück durchzuführen.
10. Bearbeitungsanlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine von einer Honeinheit gesonderte Nachmessstation, zu der das Werkstück nach Ende der Bearbeitung für die Messung transferierbar ist.
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