Leseprobe

Ulrich Klink

Honen

Umweltbewusst und kostengünstig Fertigen

ISBN (Buch): 978-3-446-44192-7

ISBN (E-Book): 978-3-446-44147-7

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http://www.hanser-fachbuch.de/978-3-446-44192-7

sowie im Buchhandel.

© Carl Hanser Verlag, München

Vorwort

Inspiriert zu diesem Buch wurde ich durch die Tätigkeit als Mitverfasser des Werkes Heisel/Klocke/Uhlmann/Spur „Handbuch Spanen“ Carl Hanser Verlag, von Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann Technische Universität Berlin und von Herrn Volker Herzberg, Projektleiter beim Carl Hanser Verlag München.

Im komplexen Gebiet des Honens liegen nur sehr wenige zusammenhängende Pub-likationen in Form von Fachbüchern vor.

In dem vorliegenden Buch werden die theoretischen Grundlagen des Honens wis-senschaftlich aufgearbeitet und die Wirkmechanismen zur praktischen Umsetzung mit den zielgerichteten Betriebsmitteln im Zusammenhang aufgezeigt.

Basierend auf meiner über 40-jährigen Erfahrung, bezieht sich das Buch mit dem spezifischen Fachwissen auf das Langhubhonen in praxisnaher Aufbereitung. Zur Komplettierung der wichtigsten Honverfahren sind in kurzen Zügen auch das Kurz-hubhonen und das Verzahnungshonen strukturiert aufbereitet worden.

Mit diesem zusammenhängenden Werk, ohne Vollständigkeitsanspruch, habe ich versucht, eine transparente Übersicht über die ständig gewachsenen Hontechniken zu geben. Umfangreiche Literaturhinweise dienen zur weiteren Vertiefung dieser komplexen und zukunftsfähigen Technologien.

Dieses Buch wendet sich an Führungs- und Fachkräfte aus Forschung, Entwicklung, Konstruktion, Planung, Fertigung und Qualitätssicherung. Ebenso an Auszubildende und Studenten, sowie wissenschaftliche Mitarbeiter der Fach- und Hochschulen und entsprechenden Instituten.

Für die sachkundige Durchsicht des Manuskripts sei dem früheren Konstruktions-leiter der Firma Gehring, Herrn Alfred Walter bestens gedankt. Für die engagierte Mithilfe bei Ausarbeitungen möchte ich mich ganz besonders bei Herrn M.Sc. Raphael Mack bedanken. Ebenso sei den Herren M.sc. Max Schmid und cand. mach. Martin Dellin für Ihre tatkräftige Unterstützung bei der Manuskripterstellung Dank gesagt.

Neuffen im März 2015

Ulrich Klink

Inhalt

Vorwort ..................................................................................................................................V

Geleitwort ........................................................................................................................... XI

1 Allgemeines .................................................................................................................... 11.1  Geschichtliches ...................................................................................................... 11.2  Einleitung und Übersicht der Honverfahren..................................................... 4

2 Langhubhonen ............................................................................................................... 72.1  Langhubhonvarianten mit Bauteilcharakteristika ........................................... 8

2.1.1  Innenrundhonen......................................................................................... 82.1.2  Innenprofilhonen ...................................................................................... 102.1.3  Außenrundhonen ..................................................................................... 102.1.4  Hybridverfahren ....................................................................................... 11

2.2  Verfahrensmerkmale ........................................................................................... 122.3  Maschinenarten ................................................................................................... 14

2.3.1  Vertikal-Langhubhonmaschinen ............................................................ 172.3.1.1  Baugrößenordnung 1: Maschinen für Kleinserien –

Ausführung A: Ø 25 – 370 mm, Ausführung B: Ø 60 – 110 mm ............................................... 172.3.1.2  Baugrößenordnung 2: Maschinen für Kleinteile Ø 0,6 bis 10 mm ........................................................................202.3.1.3  Baugrößenordnung 3: Maschinen für kleinere bis mittlere Ø von 8 bis 45 mm .....................................................222.3.1.4  Baugrößenordnung 4: Maschine für mittlere bis große Durchmesser von 30 bis 250 mm...........................................242.3.1.5  Baugrößenordnung 5: Modulare Honbearbeitungszentren von Ø 70 bis 125 mm ................................................................262.3.1.6  Baugrößenordnung 6: Großhonmaschinen für große Ø von 60 bis 1.500 mm ................................................................32

VIII Inhalt

2.3.2  Horizontal-Langhubhonmaschinen .......................................................322.4  Honsysteme: Werkzeug-, Werkstück-Zuordnungen .......................................34

2.4.1  Verbindungselemente mit Werkzeugaufnahme ..................................382.4.2  Werkstückaufnahme (Vorrichtung) .......................................................38

2.4.2.1  Beispiele von „starren“ Werkstückaufnahmen gemäß Honsystem A ................................................................392.4.2.2  Beispiele von „schwimmenden“ Werkstückaufnahmen gemäß Honsystem B .................................................................432.4.2.3  Beispiele von „kardanischen“ Werkzeugaufnahmen gemäß Honsystem C .................................................................45

2.5  Werkzeugarten .....................................................................................................482.5.1  Innenhon-Werkzeuge ...............................................................................49

2.5.1.1  Leisten-Honwerkzeuge, zustellbar während des Honens ...502.5.1.2 Vollmantelwerkzeuge ...............................................................592.5.1.3  Honwerkzeuge für Kleinstbohrungen ....................................64

2.5.2  Außenhon-Werkzeuge ..............................................................................652.5.3  Hon-Schneidbeläge ...................................................................................66

2.5.3.1  Schneidbeläge mit Diamant und CBN ....................................692.5.3.2  Konstruktive Auslegung von Honbelägen ............................. 722.5.3.3  Aufbereitung von Honwerkzeugen mit Diamant- und CBN-Leisten-Systemen ..................................................... 722.5.3.4 Konventionelle Schneidstoffe .................................................. 74

2.6  Kühlschmierstoff (KSS) .......................................................................................772.6.1  Kühlschmierstoffe beim Honen..............................................................772.6.2  Anforderungen an die Kühlschmierstoffe ...........................................80

2.6.2.1 Prozessanforderungen ..............................................................802.6.2.2 Anforderungen und Handling .................................................82

2.7  Vertikal-Innenrundhonmaschinen....................................................................862.7.1  Honleisten-Zustellsysteme ......................................................................86

2.7.1.1  Hydraulische Zustellung (kraftschlüssig) .............................862.7.1.2  Mechanische Schrittzustellung (formschlüssig) ..................872.7.1.3 Doppelzustellsysteme ...............................................................89

2.7.2  Messsysteme an Honmaschinen ............................................................892.7.2.1 Direkt Messsysteme .................................................................. 912.7.2.2 Indirekt Messsysteme...............................................................95

2.7.3  Formregelungseinrichtungen .................................................................982.7.4  Berechnungsverfahren ............................................................................99

2.7.4.1 Schnittgeschwindigkeit ..........................................................1002.7.4.2 Hublänge und Honleistenlänge .............................................103

IXInhalt 

2.7.4.3 Schnittkräfte .............................................................................1042.7.4.4 Anpressdruck ...........................................................................1062.7.4.5 Oberflächenrauheit .................................................................1082.7.4.6  Bearbeitungszugaben und Honzeiten .................................1092.7.4.7 Zerspanungskennwerte .......................................................... 114

2.7.5  Werkstoff- und Bauteilspektrum beim Honen ................................... 1162.7.6  Verfahrensvarianten mit Arbeitsbeispielen....................................... 118

2.7.6.1 Honen kleiner Bohrungen .....................................................1202.7.6.2 Dornhonen ................................................................................1242.7.6.3 Peak-Honen...............................................................................1282.7.6.4 Plateauhonen ...........................................................................1292.7.6.5 Koaxialhonen ...........................................................................1362.7.6.6  FMF-Hybridhonverfahren: Honen-Fluidstrahlen-Microfinishen.....................................1382.7.6.7  LH-Hybridhonverfahren: Laserhonen .................................. 1422.7.6.8  Positionshonen am Beispiel der Zylinderbohrung ............1452.7.6.9  Formhonen am Beispiel Zylinderlaufbahn eines Verbrennungsmotors ..............................................................1482.7.6.10  Nanotechnologie für Kolbenlaufbahnen ............................ 1512.7.6.11 Honen mit Entgraten ............................................................156

3 Langhubhonen auf Bearbeitungszentren .............................................................1593.1  Kombiniertes Bearbeitungszentrum (MAG-System) .................................... 1613.2  Konventionelles Bearbeitungszentrum (DIAHON-System).........................165

4 Qualitätsmerkmale beim Langhubhonen .............................................................1694.1  Grobgestaltabweichungen mit Messtechnik ................................................. 1704.2 Feingestaltsabweichung .................................................................................... 175

4.2.1 Rauheit ..................................................................................................... 1754.2.1.1 Ra – arithmetischer Mittenrauwert ..................................... 1754.2.1.2 Rmax – Maximale Rautiefe DIN 4748:1990 ....................... 1764.2.1.3 Rz – gemittelte Rautiefe (nach DIN EN ISO 4287) .............1774.2.1.4 R3z – Grundrautiefe (keine Normkenngröße).................... 1794.2.1.5 Rmr – Materialanteil des Profils ........................................... 1794.2.1.6  Kenngrößen zur Beurteilung von plateauartigen Oberflächen (nach DIN EN ISO 13 565) ..............................1824.2.1.7 Rk – Kernrautiefe ....................................................................183

4.2.2. Welligkeit ................................................................................................186

X 1 Inhalt

5 Kurzhubhonen ...........................................................................................................1875.1  Kurzhubhonvarianten nach Bearbeitungsgeometrien und spezifischen Bauteilen ......................................................................................1885.2  Verfahren ............................................................................................................190

5.2.1 Verfahrensmerkmale .............................................................................1905.2.2  Berechnungsgrundlagen ....................................................................... 1915.2.3  Verfahrensvarianten .............................................................................. 192

5.2.3.1  Oszillationsfinishen als Einstechverfahren mit Beispielen .......................................................................... 1935.2.3.2  Oszillationsfinishen als Durchlauf- und Längsbearbeitung ................................................................... 1955.2.3.3  Rotationsfinishen als Einstechverfahren für Plan- und sphärische Flächen ................................................................. 195

5.3  Maschinen ........................................................................................................... 1975.3.1  Zustellsysteme, Werkzeuge mit Schneidmittel ................................. 1975.3.2  Kühlschmierstoff (KSS) mit Aufbereitung .........................................1995.3.3  Rotationsfinsh-Maschine für Planflächen als Vertikalbearbeitung 1995.3.4  Modulare Rotations-Finishmaschine auch als Feinstbearbeitungszentrum .................................................................2025.3.5  Finishmaschine mit Band-Technologie ...............................................202

5.4  Bearbeitungsbeispiele .......................................................................................2045.5  Kurzhubhon-Anbaugeräte ................................................................................206

6 Verzahnungshonen ...................................................................................................2076.1  Einleitung ............................................................................................................2076.2  Geschichtliches ..................................................................................................2076.3  Verfahrensvarianten ..........................................................................................2096.4  Qualitätsmerkmale ............................................................................................2126.5  Wirtschaftlichkeit .............................................................................................. 2136.6  Leistungshonmaschine für Verzahnungen .................................................... 2146.7  Zusammenfassung und Teilespektrum .......................................................... 215

Literatur ...................................................................................................................... 217Index ............................................................................................................................219

129 2.7 Vertikal-Innenrundhonmaschinen

Verfahren mit größerem funktionellen Anpassungspotential sind im Folgenden beschrieben.

2.7.6.4 Plateauhonen

Die Plateauhonung erzeugt eine gezielt gestaltete Profilform. Sie besteht aus gleich-mäßigen feinen Profilabschnitten, die als Plateaus mit geringer Kontaktrauheit gute Gleiteigenschaften generieren. Die feinen Plateauabschnitte werden durch tiefere Rie-fen unterbrochen, die überwiegend der Schmierölbevorratung dienen. Das Verfahren Plateau-Honen ist prinzipiell ein dreistufiger Prozess aus Vorhonen, Zwischenhonen und dem eigentlichen Plateauhonen, wobei aber die letzten zwei Honvorgänge auf einer Honspindel mit einem Werkzeug durchgeführt werden. Dafür bedarf es eines Werkzeugs mit einem System aus gröberen und einem System aus feineren Plateau-Honleisten, welche unabhängig voneinander zugestellt werden können. Gegen Ende der Zwischenhonoperation werden die Plateau-Honleisten zum Einsatz gebracht. Der Übergang zum Plateauhonen erfolgt bei noch zugestellten Zwischenhonleisten, da-durch bleibt die zentrische Führung des Werkzeugs ununterbrochen bestehen. Durch die Beibehaltung von Hub- und Drehgeschwindigkeit erhalten beide Profilelemente die identische Riefenrichtung und somit den gleichen Honwinkel. Diese kombinierte Endbearbeitung auf einer Spindel erfordert Doppelzustellsysteme und ebensolche Werkzeuge. Die Fertigungstechnologie Plateauhonen (Abb. 109), gelegentlich auch als Gleithonen bezeichnet, hat sich bewährt und wird weltweit überwiegend bei Die-selmotoren angewendet. Der niedrige Anfangsölverbrauch durch fertigungstechnisch vorweggenommenen Verschleiß und Einlaufprozess ist auch bei hoch beanspruchten Nutzfahrzeugmotoren ein besonderer Vorteil (Klink, Abeln, Flores 2007).

Abb. 109 Tastschnitt und Topographien einer Diamant-Plateauhonung

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130 2 Langhubhonen

Zur Beschreibung von Gleitflächen, im Besonderen von Plateauflächen, haben sich in den letzten Jahren immer mehr die Kenngrößen aus der Materialanteilkurve, auch Abbott-Kurve genannt (Abb. 110), bewährt. Die daraus abgeleiteten Kenngrößen Rpk, Rk, Rvk mit Mr1 und Mr2 beschreiben die funktionellen Eigenschaften der Oberfläche treffender als eine „einfache“ Kenngröße, wie z. B. Rz oder Ra. Außerdem kann aus dem Rvk-Wert das, besonders für Kolbenlaufbahnen bei Motoren, relevante Ölrück-haltevolumen V0 errechnet werden. V0 ist das Volumen für die Ölmenge in mm3, welche in der Oberfläche (z. B. einer Kolbenlaufbahn) nach dem Abstreifen durch den Kolbenring noch eingelagert ist (JENOPTIC Industrial Metrology Germany GmbH).

V0 wird wie folgt berechnet:

Abb. 110 Materialanteilkurve (Abbott-Kurve) (Quelle: JENOPTIC Industrial Metrology Germany

GmbH)

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131 2.7 Vertikal-Innenrundhonmaschinen

( )=

⋅ −

V

R M100

200

mm

mm0

vk r2

3

2 (13).

Beispiel:

Rvk = 5 µm

Mr2 = 80 %

→ V0 = 0,0005 mm3/mm2.

Plateauhonen von großen Hydraulikbauteilen und kleinen Gleitlagerbauteilen

Hydraulikbauteile

Die Führungsbohrungen in Hydraulikbauteilen werden in der Regel gehont. In 3.2 wird ein Plateauhon-Beispiel mit der alternativen Maschinentechnik beschrieben.

Gleitlagerbauteil

Beim Plateauhonen von kleinen Bohrungen, wie im folgenden Beispiel, muss aller-dings die Technik geändert werden. Die Doppelfunktion in einem Werkzeug mit zwei Konussystemen und zwei verschiedenen Honleistentypen kann bei kleinen Durch-messern konstruktiv und fertigungstechnisch nicht umgesetzt werden. Doppelzu-stellwerkzeuge sind derzeitig bis > Ø 60 mm in der industriellen Fertigung im Einsatz. Bei Bohrungen < Ø 60 mm wurden Mittel und Wege gefunden, Plateaustrukturen auch im zunehmend feineren Oberflächenbereich zu sichern, wie exemplarisch das folgende Beispiel zeigen soll:

Die Bohrung hat einen Durchmesser von 9,5 mm und eine Länge von 16,8 mm. Die Endtoleranzen mit Gleitfunktion sind wie folgt definiert:

Grobgestalt / Makrogeometrie

■ Zylinderform ≤ 0,0018 µm

■ Rundheit ≤ 0,0012 µm

Feingestalt / Mikrogeometrie

■ Rz = 0,5–1,5 µm

■ Rpk ≤ 0,11 µm

■ Rk ≤ 0,11–0,26 µm

■ Rvk ≤ 0,22 µm

■Mr2 ≥ 72 %

■ Honwinkel: 35° ± 10°

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132 2 Langhubhonen

Abb. 111 Rundtisch-Honmaschine (Quelle: Kadia)

Die Bearbeitung erfolgt auf einer Rundtischmaschine (Abb. 111) mit 3 Honspin-deln für Operation 1 bis 3. Vor der 1. Honoperation erfolgt die Vorkontrolle jeder Bohrung im vorbearbeiteten Zustand als Durchmesserprüfung. Nach jeder Hon-operation erfolgt eine Nachmessstation mit Feedbackfunktion zur Honspindel zur Maß- und Formregelung mit entsprechender Verschleißkompensation der Honleisten im Honwerkzeug. Mit der Bürstoperation nach der 2. Operation wird der Entgratprozess an Ober- und Unterkante der Bohrung bewirkt. Das Herzstück für die gleichmäßige Plateaustruktur auch in Einstufenhonprozessen ist das Hon-system C (s. a. Abb. 35) mit der entsprechenden elastischen Zustellstrategie bei der letzten Stufe, dem Plateauhonen. Ein kurzes steifes Honwerkzeug (Abb. 112) in Verbindung mit einer gut austarierten kardanischen Werkstückaufnahme mit gedämpfter Einpendelfunktion ist Voraussetzung für die gleichmäßig feine Pla-teaubildung. Nur die weitgehend querkraftfreie gleichachsige Selbstzentrierung sichert die Qualität über große Stückzahlen. Der wirtschaftliche Werkstoffabtrag von 30 µm im Durchmesser erfolgt, aufgabenbezogen aufgeteilt, auf der 1. Hon-spindel mit einem Dreileistenhonwerkzeug – auf der 2. und 3. Spindel jeweils mit einem Einleistenhonwerkzeug. Entsprechend der Bohrungsgestalt ist das Werkzeug

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133 2.7 Vertikal-Innenrundhonmaschinen

für Sacklochbearbeitung ausgelegt. Die konstruktive Auslegung erlaubt die volle Ausnutzung des Freistichs. Das kurze und steife Werkzeug zeichnet sich besonders durch guten Rundlauf aus. Der Zustellkonus ist formschlüssig Verkuppelt mit dem Zustellsystem und sichert den zielgerichteten Zug- und Druckweg. Bei dem Bau-teilwerkstoff 100Cr6, gehärtet auf 60 HRc werden CBN-Honleisten mit Standzeiten von 8 000-12 000 Bohrungen eingesetzt.

Abb. 112 Honwerkzeug, Ausführung als 1-Stufen-Plateauwerkzeug für 2. und 3. Operation (Quelle:

Kadia)

Die Prozessaufgaben der 3 Spindeln (Op. 1 – Op.3)

■ 1. Op. Makroformhonen (Abtrag ca. 15 μm im Ø)

■ 2. Op. Makroformhonen + Mikroformhonen = Plateaugrundstruktur (Abtrag ca. 11 µm im Ø)

■ 3. Op. Überlagerte Mikrostruktur als Plateauhonung (Abtrag ca. 4 µm im Ø)

Für die eigentliche Plateau-Endstruktur ist primär die 2. und 3. Operation entschei-dend. In der 2. Operation ist in diesem recht feinen Profilbereich eine relativ tiefe, viel durchfurchte Oberfläche für das funktionell wichtige Ölrückhaltevolumen zielführend. Neben der eigentlichen Leistenspezifikation und der Honkinematik besteht eine weitere Möglichkeit und zwar über die Leistenkonfiguration Einfluss auf die Wirkung der Honleiste zu nehmen. In Abb. 113 wir die Wirkungsweise der Honleiste in der 2. Operation mit und ohne Längsnut deutlich. Bei der Honleiste mit Längsnut zeigt sich der in Kapitel 2.5.3.2 bereits beschriebene Effekt. Durch die bes-sere Spülung, Schmierung, Kühlung, die kürzeren Spanwege aus der Leistenfläche und dem höheren Anpressdruck pL [N/mm²] werden Qualität der Bohrungsoberflä-che und Abtragsleistung positiv beeinflusst. Die Grundstruktur wird durch diese Leistenkonfiguration bei gleichmäßiger Durchfurchung um ca. 30–40 % rauer. Das funktionsrelevante Ölrückhaltevolumen V0 [mm³/mm²] berechnet aus Rvk und Mr2 (Gleichung 13) wird gesichert und durch die 3. Operation mit den feinen Plateaus das gute Gleitverhalten erreicht.

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134 2 Langhubhonen

Abb. 113 Einfluss der Längsnut in der 2. Operation auf Grundstruktur (Quelle: Kadia und iht-Klink)

Gleithonen

Als Gleithonen wird das Verfahren zur Herstellung einer seriensicheren, homogenen Gussoberfläche mit extrem feinen Plateaus (Rz < 3 µm) bezeichnet (Haasis, Weigmann 1999). Wie beim Plateau-Honverfahren handelt es sich beim Gleithonen um ein drei-stufiges Verfahren, wobei die Fertighonoperation mit „Gleithonen“ bezeichnet wird. In der ersten Prozessstufe wird das zum Verbessern der Zylinderform erforderliche Auf-maß zerspant, danach wird beim Zwischenhonen eine Basisrauheit erzeugt. Aufgabe der letzten Honstufe, dem Gleithonen, ist die Abtrennung der Oberflächenspitzen mit Übergriff in den Kernbereich des Profils. Dies führt insbesondere zu einer Vermin-derung der Rpk- und Rk-Werte. Verwendet werden ausschließlich Diamanthonleisten. Eine glatte Plateau-Oberfläche wirkt weniger abrasiv, so wird durch Gleithonen der Einlaufverschleiß eines Zylinderbohrung-Kolbensystems herabgesetzt. Ebenso kann der Anfangsölverbrauch eines Kolbenmotors durch Gleithonung verringert werden.

Spiral-Gleithonen

Während, vor der Entwicklung des Plateau-Honens, Zylinderlaufbahnen nach dem Peak-Honverfahren mit relativ groben Oberflächen (um ca. 10 µm Rz) gefertigt wurden

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135 2.7 Vertikal-Innenrundhonmaschinen

um eine möglichst gute Öladhäsion an der Zylinderwand zu sichern, wird heute ver-sucht, die Plateaus möglichst fein zu fertigen (Gleithonung mit Rz < 3 µm). Da sich die Oberflächenfeinheit so deutlich geändert hat, wurde bei der Entwicklung des Spiral-Gleithonens der gegenwärtig übliche und für Oberflächen mit Rz > 10 µm als optimal angesehene Honwinkel von 40 bis 60° in Frage gestellt. In der Tat erzeugt man beim Spiral-Gleithonen, durch Reduzierung der Umdrehungsfrequenz des Honwerkzeugs, Honwinkel zwischen 130 und 140°. Die dadurch verlorene Zerspanleistung wird durch eine Erhöhung der Hubgeschwindigkeit kompensiert, so kommt es zu keiner Verlängerung der Honzeit (Haasis, Weigmann 1999).

Das Verfahren weist mit Vor-, Zwischen- und Fertighonprozess (Gleithonprozess) Gemeinsamkeiten mit dem Plateauhonen auf, wobei ab dem Zwischenhonschritt der veränderte Honwinkel zum Tragen kommt. Alle Honoperationen werden mit Diamanthonleisten durchgeführt (Abb. 114).

Abb. 114 Bearbeitungsoperationen des Spiral-Gleithonens A) Feinbohren, B) Vorhonen mit

konventionellem Honwinkel (40 – 60°), C) Zwischenhonen mit großem Honwinkel (130 - 140°),

D) feines Gleithonen mit großem Honwinkel (130 - 140°) (Haasis, Weigmann 1999)

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