Patentanmeldung vom 28. September 2010

Honwerkzeug mit mechanisch gesteuerter, hydraulischer Ein- oder Mehrfach-Aufweitung

Die Erfindung betrifft ein Honwerkzeug, welches über ein oder mehrere separate hydraulische Aufweitsysteme verfügt, die über eine mechanisch betätigte Bewegung gesteuert werden.

Das Honen ist ein zerspanendes Feinbearbeitungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden für fast alle Werkstoffe; es stellt in der Produktion häufig den letzten Fertigungsprozess dar. Ziel ist die Verbesserung der Maß- und Formgenauigkeit und die positive Beeinflussung der tribologischen Eigenschaften.

Ein Honwerkzeug führt dabei regelmäßig innerhalb einer zu bearbeitenden Bohrung eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung aus, bei der sich Dreh- und Axialbewegung überlagern. Dadurch erhält die bearbeitete Oberfläche definiert gekreuzte Spuren dieser Schnittbewegungen, die auch als Honbild oder Kreuzschliff bezeichnet werden. Beispielsweise werden beim Motorenbau Zylinderlaufflächen (Innenflächen von Zylinderbohrungen oder Zylinderlaufbuchsen) und Lager für Wellen einer Honbearbeitung unterzogen, um endbearbeitete Oberflächen zu erhalten, die extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen sowie hinsichtlich der Oberflächenstruktur genügen.

Damit sich die Honleisten nicht mit Schleifschlamm zusetzen, wird beim Arbeitsvorgang reichlich (meist mit Honöl oder wasserbasiertem Kühlschmiermittel) gespült. Die Bearbeitung geschieht oft in einem starken Flüssigkeitsstrom, um die Werkstoffpartikel schnell aus dem Bearbeitungsraum zu spülen sowie die entstehende Wärme abzuführen.

Aufweitsysteme in Honwerkzeugen haben die Aufgabe, die Verschleißteile des Werkzeugs mit dem jeweils benötigten Anpressdruck entlang eines radialen Aufweitweges unter Berücksichtigung des Honleistenverschleißes bis zum Erreichen des gewünschten Fertigmaßes zu bewegen. Neben den elektro- mechanischen, formschlüssigen Aufweitsystemen durch Schrittmotor und Getriebe gibt es kraftschlüssige Aufweitsysteme, bei denen die Zustellkraft durch ein Hydrauliksystem erzeugt wird. Die Zustellstange der Honmaschine wirkt dabei kraftschlüssig axial auf den Konus im Werkzeug.

Vorbekannt ist das Honen mittels Beaufschlagung des Konus im Werkzeug mit Kühlschmiermittel (DElO 2008 017 956.6). Dabei dient das Kühlschmiermittel zur Aufweitung und zur Kühlung. In diesem Prinzip wird der Honprozess über die Zu- bzw. Abschaltung der Beaufschlagung mit Kühlschmiermittel über die Honmaschine gesteuert. Verschiedene Abschaltkriterien (z.B. Luftdurchsatzbestimmung über Differenzdruckmessung oder Zeit) steuern den einstufigen Prozess. Honwerkzeuge mit Doppelaufweitung sind ebenfalls Stand der Technik, z. B. EP1815944. Hierbei wird in der Regel ein Honwerkzeug mittels zwei getrennter Aufweitsysteme (hydraulisch und/oder mechanisch beaufschlagt) betätigt. Die zugehörigen Zustellsysteme werden von den Honmaschinen bereitgestellt und funktionieren über entweder eine Stange mittels Zug- und Druckbewegung (Aufweitkegel sind gegeneinander angeordnet) in axialer Richtung oder über zwei Stangen, die ebenfalls in axialer Richtung mittels Zug- oder Druckbewegung die Zustellung der Werkzeuge bewirken. Die Doppelaufweitung ermöglicht eine Taktzeitverkürzung gegenüber zwei Einzelbearbeitungen, da die Nebenzeiten (z.B. durch Entfall des Werkzeugwechsels) reduziert werden können.

Die Aufgabe besteht darin, eine Mehrfach-Honbearbeitung ohne Werkzeugwechsel im Bearbeitungszentrum zu realisieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Honwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 10.

Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel schlägt die Erfindung ein Honwerkzeug mit einem oder mehreren hydraulischen Aufweitsystemen vor, die ihrerseits jeweils über das Kühlschmiermittel betätigt werden (Fig. 1 und 2). Die Steuerung der hydraulischen Aufweitsysteme wird mittels eines mechanisch gesteuerten Schiebers (9) realisiert, der die fluidwirksame Verbindung von Kühlschmiermittel und Kolbenfläche (5) des Konus (in der Regel ein Ringfläche) herstellt. Je nach Stellung des Steuerschiebers (9) wird der Zulauf (8) zu einem der Aufweitsysteme geöffnet, die Öffnungen zu den anderen Kolbenflächen werden dabei unterbrochen. Der Werkzeugkonus (5) unterstützt formschlüssig die Honleistenträger (4), um die Honleisten (2) an das zu bearbeitende Werkstück anzupressen. Der kleinste Bohrungsinnendurchmesser des Werkstücks begrenzt die Aufweitbewegung. Wird der Druck des Kühlschmiermittels vom Konus weggenommen, drückt die Schraubenfeder (14) den Werkzeugkonus (5) axial zurück und die Federringe (7) ziehen die Honleistenträger (4) radial zusammen. Die Release-Öffnungen (13) dienen dabei auch der Entspannung des Werkzeugs bei Ende des Bearbeitungsvorgangs. Das Kühlschmiermittel kann radial entweichen. Durch eine Drossel (12) wird der Druck im Honwerkzeug begrenzt. Das Kühlschmiermittel kann über eine vorhandene Innenkühlung durch die Druckleitung (10) oder von der Seite dem Werkzeug zugeführt werden. Die Linear- oder Drehbewegung des Steuerschiebers (9) kann mechanisch durch die Spindel herangeführt werden oder mechanisch seitlich vom Honwerkzeug bewirkt werden. Wenn eine Drehbewegung als Steuerbewegung zum Einsatz kommt, muss das Honwerkzeug über eine geeignete Einrichtung (z.B. ein Feingewinde oder Schnecke) die Umsetzung in eine Linearbewegung übernehmen oder durch die Drehbewegung die Öffnung für das Kühlschmiermittel zum jeweiligen Kolben ausführen.

Als Weiterentwicklung schlägt die Erfindung vor, dass die Bewegungsfreiheit des Steuerschiebers (9) für eine mechanische Anpassung von Messleisten (16) an den Durchmesser des Werkstücks erfolgen (Fig. 8). Dazu sind die Messleisten (16) auf Tragleisten (17) angeordnet, die mit dem Steuerschieber (9) in ihrem Durchmesser verstellbar sind. Somit können größere Bearbeitungsaufmaße bearbeitet werden und dennoch die Größe der Bohrung am Ende der Bearbeitung mittels Luftdurchsatzbestimmung über Differenzdruckmessung ermittelt werden. Das Nachfahren der Messdüsen wird notwendig, da ab einem bestimmten Abstand der Messdüsen (15) zur Bohrung der lineare Verlauf der Abstandsbestimmung nicht mehr gegeben ist (kritischer Querschnitt).

Als Weiterentwicklung schlägt die Erfindung außerdem vor, den Steuerschieber (9) so zu gestalten, dass er mit einer Axialbewegung in der zur Öffnung der hydraulischen Aufweitsysteme entgegen gesetzten Richtung ein mechanisches Aufweitsystem betätigen kann. Die mechanische Aufweitung hat den großen Vorteil, dass bei der Bewegung des Steuerschiebers (9) in eine Position auch die Aufweitung der Honleisten (l) in die zugehörige Stellung bewegt und somit die Bohrung nach der Bearbeitung immer die gleiche Größe aufweisen wird. Es wird lediglich ein sehr geringer Verschleiß der Honleisten (l) dieses Aufweitsystems während des Prozesses auftreten, der tendenziell die Bohrung kleiner werden läßt. Diese Tendenz kann im weiteren Verlauf der Bearbeitungen nachgeschaltet erkannt und steuerungstechnisch kompensiert werden (Verschleiß-Kompensation). Dieses Aufweitsystem kann verwendet werden, um Bohrungen auf einen exakten Durchmesser zu bearbeiten (z.B. als Vorhon-Operation), um dann hydraulisch fertig zu honen, oder um als Fertighonen ohne weitere Steuerung die Bohrung in das Toleranzfeld zu honen.

Besonders vorteilhaft kann dieses System in Bearbeitungszentren (BAZ) verwendet werden, bei denen das Werkzeug steht und das Bauteil die Dreh- und Axialbewegungen durchführt, da dann auf einfache Weise und ohne mechanischen Mehraufwand eine Axial- oder Drehbewegung zur Steuerung des Schiebers am Werkzeug ausgeführt werden kann.

Beim Start des Bearbeitungsprozesses befindet sich der Steuerschieber (9) in Ausgangslage (Fig. 3). Dabei ist die Wirkung des Kühlschmiermittels auf die hydraulischen Aufweitsysteme abgeschaltet, es liegt jedoch schon der Kühlschmiermitteldruck im Werkzeug an. In dieser Stellung wird das Werkzeug in die Bohrung gebracht. Entweder fährt das Werkzeug in die Bohrung des Werkstücks oder das Werkstück wird auf das Werkzeug gefahren. Mittels des mechanisch zugestellten Steuerschiebers (9) kann der erste Arbeitsschritt z.B. das Vorhonen durchgeführt werden (Fig. 4). Anschließend wird der Steuerschieber (9) über eine Dreh- oder Linearbewegung in die Steuerstellung (Fig. 5) verschoben, die den Kühlschmiermittel-Volumenstrom auf das jeweilige hydraulische Aufweitsystem wirksam werden läßt. Zum Abschluss des Bearbeitungsprozesses bewegt sich der Steuerschieber (9) in eine Position zum Verschluss des Zulaufs (8), so dass der hydraulische Beaufschlagung der Kolbenfläche unterbrochen ist und der Aufweitkonus (5) mittels Schraubenfeder (14) axial zurückgeschoben wird (Fig. 7).

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge ergeben sich aus den Patentansprüchen, deren Wortlaut durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird, der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.