BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Bohrungen in Werkstücken, bei dem ein mit einem Schleifmittelbelag belegtes und radial an die Wandung der Bohrung angedrücktes Honwerkzeug gleichzeitig eine Drehbewegung und eine Hubbewegung ausführt. Es handelt sich dabei um das bekannte Honen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Honen weiterhin zu verbessern, und zwar derart, daß ein stärkerer Materialabtrag erreichbar ist. Zur Zeit ist es z.B. mit dem "Dorn-'Ηonen, bei dem mit leichtem Übermaß in nur einem

Doppelhub gearbeitet wird, nur möglich, eine Zugabe von 4 μ abzuarbeiten. Eine höhere Zugabe soll möglich sein, ohne daß höhere Axialkräfte und Drehmomente auftreten. Gleichzeitig soll eine Bohrung ausgebildet werden, die möglichst keinen Grat mehr aufweist und die ferner durch einen möglichst hohen Traganteil gekennzeichnet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Honwerkzeug zusätzlich zu der Hub- und der Drehbewegung eine hochfrequente kurzhubige Oszillation ausführt.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß die kurzhubige hochfrequente Oszillation des Honwerkzeuges im Ultraschallbereich mit einer Frequenz von 20 bis 40 kHz und einer Amplitude von bis zu 15 um und in axialer Richtung der Bohrung erfolgt, daß die Bearbeitung in nur einem Doppelhub erfolgt, und daß das Honwerkzeug eine konische Schneidzone aufweist, deren in Richtung der axialen Hubbewegung hinterer größerer Durchmesser gegenüber dem Durchmesser der unbearbeiteten Bohrung ein Übermaß von mehr als 4 μm aufweist.

Das neue Verfahren ermöglicht insbesondere hohe Bearbeitungszugaben bei verhältnismäßig feinen Korngrößen mit feinen Bearbeitungsflächen. Mit den erreichbaren Oberflächengüten werden die bisherigen Qualitätsgrenzen des konventionellen Honens überschritten. Bisher galten Werte um

0,6 m R _z als Grenze für gehärteten Stahl. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnte diese Oberflächenqualität deutlich verbessert werden. Das Hochfrequenzhonen gemäß der Erfindung ergibt relativ geringe Bearbeitungskräfte. Die Folge davon ist eine lediglich äußerst geringe Gratbildung. Es entsteht eine neue Oberflächenstruktur mit besonders hohem Traganteil. Entsprechend der Kinematik entsteht ein periodisches Oberflächenmuster mit regelmäßigen "Mulden oder "Taschen, die sich zur Aufnahme von Schmiermittel besonders eignen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:

Figur 1 ein Schema zur Erläuterung;

Figur 2 ein Steuerschema für die Bearbeitung einer Bohrung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Figur 3 den Schwingungsverlauf eines

Schleifmittelkorns an der Wand einer Bohrung;

Figur 4 ein Schema zur Erläuterung der Kornüberdeckung;

Figur 5 eine Vorrichtung zur Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 6 ein erstes Ausführungsbeispiel eines

Honwerkzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 7 die Kontur des Schleifmittelbelags 40 im

Werkzeug 1 nach Figur 6;

Figur 8 ein zweites Ausführungsbeispiel eines

Honwerkzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 9 eine Oberflächenaufnahme einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Bohrung;

Figur 10 ein Schema zur Erläuterung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren Honzugaben.

Figur l zeigt ein Honwerkzeug 1. Die übliche Honbewegung, die das Kreuzschliffbild ergibt, stellt sich als Summe einer Drehbewegung (entsprechend Pfeil 2) und einer Hubbewegung, entsprechend Pfeil 3 dar. Gemäß der Erfindung ist nun diesen beiden Bewegungskomponenten eine dritte Bewegung, nämlich eine kurzhubige Oszillation in axialer Richtung, wie durch die

Pfeile 32 und 33 veranschaulicht, überlagert. Diese Oszillation erfolgt in einem Ausführungsbeispiel mit einer Frequenz von 21,7 kHz einer Amplitude, die bis auf maximal 15 um eingestellt werden konnte.

Das Werkstück 4 weist eine Bohrung 5 auf, die bearbeitet werden soll. Das Honwerkzeug ist mit einer konischen Schneidzone 6 versehen, deren - in Richtung des axialen Hubes - (vgl. den eingezeichneten Pfeil) hinterer größerer Durchmesser Oχ größer ist als der kleinste Durchmesser der mit dem Honwerkzeug l noch nicht bearbeiteten Bohrung 5. Der vordere kleinere Durchmesser D ₂ erlaubt die Einführung des Werkzeuges 1. Mit dem Hub in Richtung des Pfeils fährt die konische Schneidzone 6 in die Bohrung 5 ein und arbeitet das Material ab, das einem Bohrungsdurchmesser von weniger als D^ entspricht. Im Anschluß an die konische Schneidzone 6 ist das Honwerkzeug 1 zylindrisch ausgebildet, so daß es damit dann in den bereits bearbeiteten Teil der Bohrung geführt wird. Die Bearbeitung erfolgt mit einem axialen Doppelhub. Dieser Vorgang entspricht - sofern nicht zusätzlich erfindungsgemäß eine hochfrequenzte Oszialltion der Hub- und Drehbewegung überlagert ist - dem bekannten "Dornhonen ¹¹ . Bei zusätzlicher Anregung des Honwerkzeuges 1 mit einer hochfrequenten kurzhubigen Ultraschallschwingung in axialer Richtung ergibt sich die unerwartete Wirkung, daß sehr viel mehr Material abgetragen werden kann und somit stärker als seither Formfehler der Bohrung berichtigt werden können.

Figur 2 zeigt das Steuerungsdiagramm der Hubbewegung bei (a), der Drehbewegung bei (b) , und der hochfrequenten Schwingung bei (c) in ihrer Zuordnung zueinander und in Abhängigkeit von der Zeit. Die breitere Linie bei (c) deutet die Amplitude der hochfrequenten Schwingung an. Die Verweildauer dt bei (a) ist einstellbar. Ebenso sind die Punkte A, B, C, D einstellbar, d.h. jeweils Beginn und Anfang der Drehbewegung und der hochfrequenten Schwingung. Eine Maschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Berücksichtigung des Steuerdiagramms nach Figur 2 wurde versuchsweise mit folgenden Daten ausgelegt:

Hublänge: 400 mm

Hubantrieb 0,4 kW

Hubgeschwindigkeit: kleiner als 650 mm/min

Drehantrieb: 0,4 kW

Drehzahl: kleiner als 5 000 1/Umdrehungen

Verweilzeit am Bohrungsgrund: kleiner als 10 s

Amplitude: roax. 15 μm

Frequenz: 20 - 24 kH

Schall-Leistung des Generators: bis 2,4 kW

Die Bewegungsbahn einer Spitze eines Schleifmittelkorns 7 in Abhängigkeit von der Zeit ist in einem Bereich von 0 bis 300 μsec in Figur 2 dargestellt. Die obere und die untere Begrenzungslinie, die je eine steigende Bahn darstellen, entsprechen dem Schrägverlauf der Riefen beim konventionellen Honen.

Stellt man sich vor, daß entlang dieser hochfrequenten Schwingungsbahn die einzelnen Schleifmittelkörner 7 mit einer bestimmten Fläche auf der zu bearbeitenden Oberfläche

aufliegen, so ergibt sich je nach dem, wie die Dauer einer Schwingung (Schwingungsperiode) und ihre Amplitude auf die Umfangsgeschwindigkeit des Honwerkzeugs 1 abgestimmt ist, eine der beiden Situationen, die in Figur 4 dargestellt ist. Bei (a), also bei im Verhältnis zur aufliegenden Fläche der Schneidmittelkörner 7 relativ "engen" Schwingung, ergibt sich, daß ein Schleifmittelkorn 7 bei einem ersten Ultraschallhub eine bestimmte Fläche überstreicht, die teilweise bei dem nächsten in entgegengesetzter Richtung stattfindenden Ultraschallhub ebenfalls wieder überstrichen wird. Das heißt: Dieselbe Fläche wird je nach Wahl dieser Parameter praktisch mehrfach bearbeitet, so daß es zu einem "Ausfeuer"-Effekt kommt. Durch andere Wahl dieser Parameter, wie bei (b) , kann man erreichen, daß dieser Effekt auf Bereiche in Nähe der Schwingungsspitzen begrenzt wird. Im allgemeinen ist die Wahl der Paramater, so daß sich der Verlauf nach (a) ergibt, vorteilhafter.

Figur 5 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das auf feste Maße und Kontur überschliffene Honwerkzeug 1 ist in dem Werkzeugaufnahmekonus 8 aufgenommen. Dieser befindet sich in einem Schallübertragungskörper 9. Der

Schallübertragungskörper 9 weist zwei Flansche 10, 11 auf, die an den Stellen 10', 11' in der dargestellt abgesetzten Art derart mit Nuten versehen sind, so daß sich Dünnstellen 10',

11' ausbilden, die praktisch die Wirkung eines Gelenkes haben, so daß sich eine axiale hochfrequente Schwingung, die der Schallübertragungskörper 9 ausführt, nicht auf das Gehäuse 12 überträgt, in dem der Schallübertragungskörper 9 in der gezeigten Weise eingespannt ist. Damit die Dünnstellen dies aushalten, ist der Schallübertragungskörper aus Titan ausgebildet. Das Gehäuse 12 besteht aus dem zylindrischen Teil 13, dem unteren Deckel 14 und dem oberen Deckel 15. Der obere Deckel 15 weist in der Mitte eine mit einem Innengewinde versehene Bohrung 16 auf, in die der Gewindezapfen 17 hineinragt, der mit der Aufnahmenabe 18 fest verbunden ist. Gehäusedeckel 15 und Aufnahmenabe 18 sind also miteinander fest verschraubt, wobei die Scheibe 19 zwischengeklemmt ist. Auf diese Weise dreht sich das Gehäuse 12 mit der Aufnahmenabe 18 mit, die ihrerseits über Zahnriemenrad 20 und Zahnriemen 21 in Drehrichtung angetrieben wird. Die gesamte Einheit, wie sie in Figur 5 dargestellt ist, einschließlich einem (nicht gezeigten) Motor, ist zum Zwecke der Erzeugung der Hubbewegung auf und ab verschiebbar, wie das an sich von üblichen Honmaschinen bekannt ist, so daß auf eine nähere Beschreibung dieser konstruktiven Details im vorliegenden Zusammenhang verzichtet werden kann.

Der eigentliche Ultraschallschwingungserreger 25, der im Ausführungsbeispiel durch zwei piezoelektrische Elemente (Schwingquarze) 26 und 27 gebildet wird, sitzt auf der Oberseite des Schallübertragungskörpers 9, wobei oberhalb des

Ultraschallschwingungserregers 25 noch zur Abstimmung des Schwingsystems eine eine Schwingmasse darstellende Scheibe 28 angeordnet ist. Die gesamte Anordnung ist durch die Spannschraube 29, die im Schallübertragungskörper 9 verschraubt ist, fest verspannt. Die Zentrierung erfolgt mittels Zentrierhülse 29'. Durch den Schallübertragungskörper 9 und die Spannschraube 29 geht ein Kühlmittelkanal 30 hindurch. Dem Innenraum des Gehäuses kann die Leitung 31 und die Öffnungen in der Scheibe 19 und im Deckel 15 ein Kühlmedium zugeführt werden.

Die Zufuhr elektrischer Energie zu dem

Ultraschallschwingungserreger 25 erfolgt in der dargestellten Weise durch am Deckel 15 angeordnete Schleifringe 35 und an einem nicht mitdrehenden Teil der genannten Einheit angebrachte Schleifringe 36. Figur 6 zeigt die einfachste Form eines Honwerkzeuges 1, das als Festdorn, d.h. Dorn mit festen nicht einstellbaren Außenabmessungen ausgebildet ist. Der Schneidbelag hat dabei die Kontur 40, wie sie im einzelnen in Figur 8 dargestellt ist, nämlich etwa über weniger als 10% seiner Länge eine Einführungszone 37, daran anschließend die bereits erwähnte Schneidzone 6, die sich etwa über etwas weniger als die Hälfte der gesamten Länge des

Schneidmittelbelages erstreckt, so wie sich daran anschließend die zylindrische Führungszone 38. Ein derartiges Werkzeug ist zwar prinzipiell funktionsfähig, hat aber den Nachteil, daß es nicht nachgestellt werden kann, wenn der Schneidmittelbelag 40 abgenutzt ist.

Die übliche radiale Auf eitung, wie sie von Honwerkzeugen bekannt ist, bereitet im vorliegenden Fall gewisse Schwierigkeiten, da die Gefahr besteht, daß einzelne gegeneinander verstellbare Teile, die nicht in einem Schwingungsknoten liegen, mit der Hochfrequenz aneinander reiben, so daß übermäßige Erhitzung auftritt. Außerdem muß gewährleistet sein, daß sich trotz der hochfrequenten Schwingung sich keine Teile lösen. Insofern sind speziell konstruierte Honwerkzeuge vorteilhaft. Ein derartiges Honwerkzeug 100 ist in Figur 9 dargestellt. Dabei ist der Schneidbelag 40, der die Kontur nach Figur 8 hat, auf einem Schaft 101 aufgebracht, der durch ein Aufweitstück 102 elastisch aufweitbar ist. Das ist z.B. dann der Fall, wenn die Ausnehmung 103 im Schaft 101 einerseits und das Aufweitstück 102 andererseits konisch ausgebildet sind, so daß sich bei axialer Verschiebung des Aufweitstückes eine elastische AufWeitung des Schaftes in radialer Richtung ergibt, der jedoch als Vollkörper ohne Nuten und ohne Schlitze ausgebildet ist, um besondere Stabilität zu gewährleisten. Die hier erforderlichen elastischen radialen Aufweitungen sind auch auf diese Weise erreichbar. In axialer Richtung im Anschluß an das Aufweitstück 102 befindet sich ein Druckstück 104, das in der Ausnehmung 103 auswechselbar eingesetzt ist. Es liegt mit seinem rechten Ende an der Druckfläche 105 des Aufnahmeteils 106 an, der dann seinerseits mit dem rechten Ende in den Werkzeugaufnahmekonus 8 des Schallübertragungskörpers 9 eingesetzt wird. Man kann also den Schneidmittelbelag 40

dadurch elastisch aufweiten, daß man Druckstücke 104 verschiedener Länge einsetzt. Je länger das Druckstück 104 ist, desto stärker wird der Schaft 101 radial aufgeweitet.

Figur 9 zeigt nun als Fotografie - da anders nicht darstellbar - die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Oberfläche, wobei, um den Maßstab zu verdeutlichen, eine Strecke, die in der Realität 30 μm entspricht, unter der Fotografie eingezeichnet ist. Es zeigt sich nun überraschenderweise, daß entlang der beim klassischen Honen das Kreuzschliffmuster ergebenden zueinander schräggestellten Riefen praktisch durch die überlagerte hochfrequente Schwingung in kurzen Abständen Mulden oder Taschen in der Oberfläche entstehen, die praktisch "eingehämmert" oder "eingemeißelt" werden, wobei - wie aus dieser Fotografie ohne weiteres erkennbar - gratfreie ebene tragende Bereiche entstehen, die Lagerteile tragen können, und daß die Taschen oder Mulden dazwischen ausgebildet und praktisch als ölreservoir für Schmiermittel bestens geeignet sind. Das Material wird gleichmäßig abgetragen und es entsteht ein entsprechend der Kinematik periodisches Oberflächenmuster. Es ist selbstverständlich stark abhängig von eingestellten Parametern. Bei einer kleinen Drehzahl liegen z.B. die durch die hochfrequente Oszillation erzeugten Schnittspuren sehr dicht beieinander. Bei einer hohen Drehzahl sind diese Schnittspuren entsprechend gestreckt und ergeben einen etwas ungünstigeren Traganteil. Der Traganteil lag bei einer

Versuchsserie in ca. 0,2 μm Schnitttiefe bei ca. 30%.

Es entsteht auf diese Weise eine neue Oberfläche, die eine extreme Verbesserung der Trageigenschaften ergeben. Bearbeitet man z.B. eine bestimmte Bohrung in zwei Bearbeitungsstufen mit Körnungen D46 und D15 (nach der FEPA-Definition) , so sind bzgl. der Bohrungsgeometrie (Geradheit, Rundheit) Werte unter 0,5 μm erreichbar. Dies erfolgte versuchsweise bei Werkstücken, die auf den Durchmesser von 6,955 bis 6,965 mm konventionell vorgehont waren und in zwei weiteren Bearbeitungsschritten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren fertig bearbeitet wurden. Die Oberflächenrauhigkeit lag zu Beginn bei 0,7 μm R _z und konnte mit zunehmender Stückzahl auf unter 0,4 μm R _z verbessert werden.

Von besonderer Bedeutung für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die auftretenden Bearbeitungskräfte. Bei einer Zugabe von 10 μm (Differenz des Durchmessers der unbearbeitetenden Bohrung gegenüber dem durch die Bearbeitung angestrebten Endmaß) unter Verwendung des Festdornes mit der Körnung D46 wurde eine Axialkraft von 1,0 N und ein Drehmoment von 1,120 Ncm festgestellt. Ein direkter Vergleich mit einer Bearbeitung, bei der dasselbe Werkzeug ohne Hochfrequenzbeaufschlagung eingesetzt worden wäre, war nicht möglich, da ohne die hochfrequente Oszillation eine Zugabe von mehr als 4 μm nicht zu erreichen ist. Möchte man mehr Material mit einem Hub ohne HF-Oszillation abtragen, so

frißt sich das Werkzeug fest. Aber selbst bei einer Zugabe von 4 μm ohne hochfrequente Oszillation, also mit einer um mehr als 50% reduzierten Zugabe, betrug die Axialkraft immer noch 2,4 N und das Drehmoment 1,3 Ncm. Man kann also davon ausgehen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das 2- bis 3-fache der Zugabe in einem Doppelhub abgetragen werden kann, und dabei Axialkraft und Drehmoment noch geringer sind als bei herkömmlichen Verfahren.

Daraus folgt auch, daß mit dem hier beschriebenen Verfahren eine nur sehr geringe Gratbildung verursacht wird. Bei versuchsweise bearbeiteten Werkstücken war, wie aus Figur 9 deutlich zu ersehen, überhaupt keine Gratbildung festzustellen.

Figur 10 zeigt schließlich die Honzugabe dz (in Mikrometer) in Abhängigkeit von der Körnung k (nach der FEPA-Definition) im Vergleich zwischen dem - bekannten - Dornhonen (unterer von einer Körnung D15 bis D181 leicht ansteigender Balken) im Vergleich zu dem Hochfrequenzhonen (schwarz ausgefüllter Bereich). Beim Werkstück handelte es sich um gehärteten Stahl mit einer Härte von mehr als 60 HRc.