用于利用珩磨工具制造旋转对称的、非柱形孔的方法与流程

本发明涉及用于利用珩磨工具对柱形孔进行锥形成型的方法以及一种根据并列独立权利要求11所述的用于成型加工柱形孔的流程链。

车辆的制造商面对的不变任务是不断地减小其配备有活塞式发动机的车队的燃料消耗。在活塞式发动机中，在一方面为活塞或活塞环与缸筒之间的摩擦占内部摩擦损耗达到35％的大比例。因此，在缸筒的区域中的摩擦减小提供了减小燃料消耗的巨大潜能。

背景技术：

减小在活塞与缸筒之间的摩擦的方案是由本申请人开发的成型珩磨(formhonen)，其详细地在ep2170556b1中予以描述。在该方法中，因在缸筒安装和/或热膨胀时的应力引起的与气缸的几何形状的偏差通过如下方式被拉平：在成型珩磨时构成互补的突起部或凹进部。该方法非常有效且在制造不同的活塞式发动机时成功使用。

在de102013204714a1中公开了一种珩磨方法，内燃机的缸筒借助该珩磨方法获得了瓶形。在此，如下形状称作瓶形：其中缸筒具有两个柱形的部段，所述部段具有不同的直径。具有较小直径的部段设置在缸头的区域中，而具有较大直径的部段设置在曲轴的区域中。在这些区域之间构成截锥形的过渡区域，该过渡区域占孔长度的大约5％到20％。

在de10358150a1中公开了一种方法，借助该方法可以加工具有不同硬度的两个在缸筒的轴向方向上彼此相继的部段。当缸筒(zylinderbohrung)分区段硬化且因此硬化的部段和非硬化的部段必须以不同的方式珩磨时，该方法和相关的工具可以有利地使用。

从该印刷物中已知的是，缸筒在其敞开的端部处也就是说在以后被安装缸头的地方设计为使得形成缸筒的扩孔(vorweite)。这在该印刷物的图6中以图形方式示出。在缸筒的上部部段中的略微的扩宽部被称作扩孔。在此，扩孔仅涉及大致缸筒的最上部的四分之一处。

技术实现要素：

本发明所基于的任务是，提供珩磨方法、流程链以及适合用于执行该方法的珩磨工具，其允许成本低廉地且可再现地制造缸筒，其中在活塞环与缸筒之间并且特别是在活塞裙部与缸筒之间的摩擦最小化并且因此配备有这种气缸的内燃机的排放特性和燃料消耗优化。

在此，所追求的“缸筒”的几何形状是截锥体。尤其，孔也包括一个或两个附加柱形的部段。在本发明的意义下的截锥形的(缸)孔是如下孔，该孔的直径在缸筒的大于一半的长度上、优选长度的至少3/4上连续地改变。理想情况下，截锥体甚至占缸筒的长度的大于85％，在一些情况下甚至达到100％。

该任务根据本发明通过根据权利要求1和6所述的用于对柱形孔或柱形孔的部分进行锥形成型的方法来解决。在根据权利要求1的方法中，优选使用珩磨工具，该珩磨工具具有如下长度，该长度小于要加工的孔的长度的三分之一。

根据本发明的方法包括如下步骤：使珩磨工具的珩磨条靠贴到孔上、对孔在其整个长度上以最大行程hmax(＝op1-up)进行珩磨。该工艺步骤与本发明结合称作“柱形珩磨”。其用于使(尚为)柱形孔的直径和几何形状具有所期望的值。

对该过程工艺步骤“柱形珩磨”的替选方案是精镗孔(feinbohren)。该工艺步骤与本发明结合称作“柱形精镗孔”。

接着，以减小的行程对孔进行珩磨，其中珩磨工具的下部折返点up基本上保持不变。这意味着：孔的在珩磨工具的下部折返点处的部分相较于孔的在珩磨工具的上部折返点处的部分更频繁地被珩磨条加工。因此，在下部折返点up处相较于上部折返点的区域中，直径的增加更大。结果，原始柱形孔随着距下部折返点越来越远而扩宽。以减小的行程对孔进行珩磨根据本发明一旦上部折返点op达到预设的点op2(op＝op2)就结束。已验证的是，以此方式，原始柱形孔可以被转换成略微锥形的孔，其中孔的锥形的部分的区域延伸超过孔的长度的75％。根据本发明的方法非常简单且工艺可靠地设计并且在此可以制造如下孔，该孔的母线基本上近似截锥体。

已证明为有利的是，珩磨工具的进给只有在珩磨工具处于下部折返点up附近时才进行。下部折返点是孔的如下区域，该区域在根据本发明的方法执行之后具有最大的直径。珩磨工具的进给例如只有在如下情况下才进行：珩磨工具处于预设的终值op2和下部折返点up之间。op2是在行程路径之内的如下点，该点在所有单调缩短的行程中被经过。在从op2到up的路径之内，珩磨工具递增地进给。op2因此确定最小行程的上部折返点并且因此也确定了加工循环的最后的行程。该间距op2-up是所有行程中最小的共同行经的路径间隔。由此，珩磨条在每个行程中都与其长度无关地均匀地进给。

尽管行程减小但仍将切割速度保持得大致相同，随着行程缩短可以提高珩磨条的转速。

根据本发明的方法的设计方案具有如下优点：进给在整个珩磨过程中与珩磨工具的行程无关并且因此在控制技术上可良好掌控。由于切割速度保持相同，所以表面质量在被珩磨的孔的整个长度上保持相同。

该工艺步骤与本发明结合称作“利用减小的行程的锥形珩磨”。

此外，所描述的进给的方式使得加工完成的锥形孔的几何形状改善，因为能够基本上防止在下部折返点up的区域中“坍缩”孔。由此，可以避免孔的具有两个柱形的部段和一个短的截锥形的中间区域的“瓶形”。

为了在孔的近似整个长度上达到被加工的孔的锥削度，有利的是，最大行程hmax(＝op1-up)大于最小行程hmin(＝op2-up)的两倍。也可行的是，最大行程三倍于或甚至四倍于最小行程。该比例越大，则孔的截锥形的部分越长。这也通过如下方式实现：截锥形的部分在孔的整个长度上延伸。

对该过程工艺步骤“锥形珩磨”的替选方案是“以动态进给的精镗孔”。在此，精镗孔工具的切削刃根据精镗孔工具在要加工的孔中的位置来进给。例如，在孔的敞开的端部处进给最小并且精镗孔工具朝向孔的相对置的端部运动越远则增加。工艺步骤“利用动态进给的精镗孔”可以替代前置的工艺步骤“柱形的珩磨”和“柱形的精镗孔”。

为了辅助或结束柱形孔的锥形成型，可以进一步设计，用来将珩磨条压靠到孔上的进给力根据珩磨工具在孔中的位置来控制。在此情况下，进给力朝向下部折返点up的方向增加并且朝向上部折返点减小。该工艺步骤与本发明结合称作“利用动态的进给的锥形珩磨”。

开头所述的任务也通过用于对柱形孔进行锥形成型的方法来解决，其中对于珩磨相关的参数尤其是孔的原材料硬度和刚性(例如由壁厚的改变引起)在孔的整个长度上是相同的，并且该方法包括如下步骤：

使珩磨工具的珩磨条靠贴到要加工的孔上，对孔在其整个长度上以珩磨条对孔的横定的挤压力进行珩磨(“柱形的珩磨”)。

接着，对孔进行珩磨，其中用来将珩磨条压靠到孔上的进给力根据珩磨工具在孔中的位置来控制(“利用动态的进给的锥形珩磨”)。工艺步骤“利用动态的进给的锥形珩磨”于是不仅可以在“具有减小的行程的锥形珩磨”之后应用，而且可以替代其。

通过该方法也实现了原始柱形孔的良好的锥形成型。孔的锥形的部分越长，则可以越简单且越精确地实现所期望的锥形成型。因此，进给力通常在近似孔的整个长度上改变(例如大于75％)。

已证明为有利的是，进给力随着珩磨工具距折返点的间距增加而升高。

可能的是，进给力随着珩磨工具距折返点的间距增加而线性地、渐进地或递减地升高。由此可能的是，补偿引起与孔的所期望的截锥形的形状的偏差的效应。但也可能的是，有目的地进行与几何形状上理想的截锥形状的偏差。这样，例如孔可以在下部折返点的区域中在直径上特别宽，使得按照根据本发明的方法制造的孔(极为夸张地)如长号的喇叭那样构成。孔壁的在孔的长度上局部改变的刚性也可以通过局部改变的进给来补偿。

在该方法中可能的是，为了辅助孔的锥形成型部分以减小的行程对孔进行珩磨，其中珩磨工具的下部折返点up基本上保持不变。在根据本发明的方法的该变型方案中也设计为，一旦上部折返点达到预设的终值，则珩磨过程结束。

证明为特别有利的是，在锥形珩磨结束时，珩磨芯轴的行程又增大到使得具有一定的行程的珩磨条加工孔的整个长度，以便实现具有尽可能少的折返点的所期望的横向磨削。这对于表面的功能性而言会是特别重要的。

根据本发明的用于由原始柱形孔制造大部分为截锥形的孔的方法可以以大规模生产的方式集成到用于成型加工柱形孔的流程链中，其中该流程链包括对孔进行预珩磨。在此，可以使用第一珩磨工具或珩磨工具的第一珩磨条。对孔的预珩磨具有如下任务，制造尚为柱形孔或孔的尚保持柱形的部段的所期望的直径并且实现孔的非常良好的几何精度。

接着，按照根据权利要求1或2所述的方法部分锥形成型原始柱形孔。

在另一步骤中，对锥形成型的孔完成珩磨，这样即实现锥形成型的孔的所期望的表面品质和质量。这也可以在相应的切割划分的情况下多级地进行。在最后的可选的加工步骤中使孔平滑。

在后续所示的表格中，最重要的根据本发明的流程链按列的方式组合。所有在列表中所列出的流程链得到非柱形的旋转对称的孔，其具有统一的粗糙轮廓。

附图说明

本发明的其他优点和有利的设计方案可从如下的附图、其描述和权利要求中获知。在此，仅示出和阐述了步骤的几个流程链。针对流程链的各个工艺步骤的所述内容也适于与其他流程链组合。

在附图中：

图1a和图1b：原始柱形孔的示意图，所述孔已借助根据本发明的方法锥形成型，

图2：作为根据本发明的第一步骤的柱形的预珩磨，

图3：根据本发明的珩磨过程的第一替选方案；

图4：根据本发明的珩磨过程的第二替选方案；

图5：第一实施形式中的最终珩磨；

图6：第四工艺步骤，具有弹簧加载的珩磨条的平滑珩磨；

图7：根据本发明的锥形成型珩磨的第一替选方案的视图；

图8：根据本发明的锥形珩磨的第二替选方案的视图；

图9：平滑的不同可能性(第四工艺步骤)；

图10：具有动态的进给的第三和第四工艺步骤的图解说明；

图11：组合工具，具有对于工艺步骤(预珩磨和锥形珩磨)双倍的进给的珩磨工具；

图12：对于最终珩磨和平滑珩磨可双倍进给的珩磨工具的视图。

具体实施方式

在图1a中示意性地示出了具有直径d0mm和孔长度l的柱形孔。

在孔还是柱形时，直径d0表示在预珩磨之后孔的直径。也就是说，孔在整个长度l上具有直径d0。

根据本发明的方法的目的是制造主要为锥形的孔。在图1的所示的示例中，在执行根据本发明的锥形珩磨之后，孔在整个长度l上是锥形的。示例性地，相关的直径d0在孔的上边缘之下的第一测量平面中和在第二测量平面中绘制(+0.010到+0.080mm)在图1中，该第二测量平面紧邻孔的下端部设置。锥形珩磨的孔的母线在图1中用1表示。原则上，对于所有图适用的是，相同的附图标记用于相同的组件或过程并且仅阐述差异。原则上，要不然适用于关于其他实施例所述的相应内容。

在图1b中示出了孔形状，其同样是功能相关的并且有利的，但不同于锥形孔利用所提出的方法可以根据相应的参数化来制造。

在图2中示意性地示出了为根据本发明的锥形珩磨预备孔。为了能够可再现地、快速地和成本低廉地执行加工过程，必须预备要加工的孔。在置于实际流程链之前的加工步骤3中将孔引入工件中。这例如可以通过精镗孔、粗珩磨或预珩磨来进行。该工艺步骤在图2中用附图标记3表示。所期望的柱形孔在块3中通过线4表示。安置孔的毛坯通过虚线6表示。

在块5中示意性地示出了根据本发明的流程链的第一工艺步骤(“锥形珩磨”)。在此涉及常规的珩磨过程，借助其在几何形状、直径和表面方面进一步改善了前面示例性地通过精镗孔所制造的孔。预珩磨可以利用常规的珩磨工具执行，其珩磨条例如配备有作为研磨材料的金刚石。在“锥形珩磨”中行程是恒定的。该事实在块5的中部部分中通过曲线图表示，该曲线图关于珩磨持续时间thon示出行程长度h。一旦过程中测量检测到达到期望值，结束柱形珩磨，

在第一工艺步骤结束之后，因此提出了如下孔，该孔的几何形状非常精确地对应于柱体。此外，所有柱形孔在批量制造时具有非常类似的表面结构。两者一起能够实现也高效地且过程可靠地执行后续的工艺步骤，具有小的批量离差(serienstreuung)和可再现的结果的“锥形”珩磨。对此的替选方案是工艺步骤“柱形精镗孔”。

原则上可能的是，以两个不同的根据本发明的方式对孔进行锥形成型。在图3中示出了在块7中的第二工艺步骤“锥形珩磨”的第一替选方案。在块7的左侧部分中，示意性地且极为夸张地示出了虚线所示的柱形孔9过渡至所期望的锥形孔11。在块7的中部中，示意性地示出了第二工艺步骤“锥形珩磨”的时间过程。在此，珩磨工具的行程长度h关于时间t示出。在此，珩磨工具的每个行程具有两个折返点，即下部折返点up和上部折返点op。在第二工艺步骤中经过的最大行程长度hmax在块7中通过上部折返点op1和下部折返点up来确定。第二工艺步骤以具有恒定的行程长度的一个或几个行程开始，其中行程长度是op1-up。在将珩磨条靠贴到要加工的在该时间点尚为柱形孔上的时间点t1，可以减小行程长度h。在此，根据本发明的方法的特征是，折返点优选下部折返点up保持不变并且上部折返点op逐步地减小，直至达到预设的边界值op2。随后结束工艺步骤2。

在下部折返点up保持相同时珩磨工具的行程h通过递增地减小行程长度k而控制，孔获得所期望的截锥形的外表面。根据本发明的方法非常精确并且只需要非常少的时间，因为随着达到对于上部折返点的预设的边界值op2结束珩磨操作。

这相对于de102013204714a1中公开的方法是主要优点。在那里，还接着是常规的加工阶段，加工阶段的特征在于行程保持不变同时行程长度减小。令人意外地证明，利用根据本发明的方法(其最后包括仅仅两个部段)可以短时以非常好质量地制造良好锥形成型的或锥形的孔。

也可能的是，通过下部折返点的合适位置和上部折返点op1和op2将孔仅仅分区域地扩宽并且由此制造瓶形的孔。

根据图3的第二工艺步骤要么时间受控地要么根据珩磨工具的所执行的行程的数量或通过到达行程位置值(hublagenendwert)op2来执行。在图4中示出了第二工艺步骤“锥形珩磨”的第二替选方案。

在该第二工艺步骤的替选方案中，珩磨条13的进给根据珩磨工具在要加工的孔中的位置来进行。这意味着，在孔的上端部处，在上部折返点op1的附近相较于下部折返点up，珩磨条不怎么远地进给。该关系在曲线图中以线15的形式示出，在该曲线图中进给z根据珩磨工具的位置示出。该线性的关系当然仅仅是示例性的。也可能的是，在进给z和珩磨工具的位置之间的渐进的或递减的关系可预设在上部折返点和下部折返点之间并且相应地控制珩磨工具的进给。

也可能的是，进给的特征曲线在加工期间改变。由此可能的是，使珩磨条13的负荷均匀并且避免过负荷。

第二工艺步骤要么是时间受控地要么行程受控地被加工。

即使在该方法中也可以不仅仅产生锥形的孔。更确切地说，也可能的是，产生瓶形的孔并且在需要时在孔的上端部处和/或在孔的下端部处进行柱形孔的预扩宽。

该替选方案的前提是珩磨工具，该珩磨工具适合于成型珩磨并且能够实现珩磨条的与位置有关的进给。这样的珩磨工具例如在本申请人的de102007038123中予以公开。但根据珩磨工具的行程位置与瓶颈形的期望母线一致地等距改变进给z也能够实现瓶颈孔的制造。

但也可能的是，相继地执行工艺步骤：“具有减小的行程的锥形珩磨”和“具有动态的进给的锥形珩磨”。由此，通过减小的行程产生的回行弓形部在改变的上部折返点op的区域中通过接着的具有动态进给的珩磨被去除。于是，珩磨图像具有在珩磨角度和粗糙度方面统一的结构。这样的形貌上均匀化的且改善形状的孔表面使后续的工艺步骤“具有弹簧力的平滑”容易且加速。

于是涉及的是，第二工艺步骤的两个变型方案按所描述的顺序组合。该组合可以在不同的加工站中进行。同样可能的是，两个操作在一个具有双倍进给的工具或也具有单倍进给的工具的芯轴上以珩磨条规范相继地进行，所述工具配备有不同的珩磨条。

但是在任何情况下都必须确保，首先进行具有改变的行程的加工并且随后进行具有改变的进给的加工。于是得到最多四个用于对非柱形旋转对称的孔的成型珩磨加工的步骤：

柱形孔的珩磨

具有改变的行程长度的锥形珩磨

具有改变的进给的锥形珩磨

具有弹簧支承的珩磨条的平滑珩磨

在图5中，第三工艺步骤“最终珩磨”可选地与第四工艺步骤“平滑珩磨”组合地同样在示意图中以块15示出。在以前的工艺步骤中锥形珩磨的孔用附图标记17标记。第三工艺步骤“最终珩磨”的目的是，在保持孔17的锥形或几何形状的情况下根据使用情况的要求进一步加工孔的表面。这如在图5中所示可以类似第二工艺步骤的第二变型方案(参见图4)通过具有动态进给的珩磨进行。在此情况下，在珩磨条19中可以使用其他切割材料。例如可以变换为碳化硅作为切割材料。要不然，根据在图5中所示的第一变型方案同样借助如下珩磨工具进行最终珩磨，该珩磨工具能够实现根据珩磨工具在孔中的位置来进给珩磨条19。该第三工艺步骤同样时间受控地或行程受控地或通过气动过程中测量进行，该过程中测量可以使用在锥形成型和表面平滑的所有操作中。

也可能的是，直接接着第三工艺步骤进行第四工艺步骤：“平滑珩磨”。

在此情况下，用于最终珩磨的珩磨条19与孔脱离接合并且另一组珩磨条(在图5中未示出)与锥形珩磨的孔17接合，所述另一组珩磨条使锥形孔的表面平滑。该第四加工步骤/工艺步骤也时间受控地或形成受控地进行。

在图6中示出了第四工艺步骤“平滑珩磨”的替选的实施形式。在此，珩磨条23弹性地压靠到要加工的且完成珩磨的孔18上。这在块21的中部部分中通过曲线图阐明，该曲线图关于行程h示出了挤压力f。通过平滑珩磨不再改变完成珩磨的孔18的几何形状。第四工艺步骤也可以时间受控或行程受控地进行。

在图7中再次示出和阐明了第二工艺步骤的第一替选方案，该第一替选方案与图3结合地已简短述及。图7示出了曲线图，在该曲线图中在x轴上要么绘出了以秒为单位的珩磨时间或珩磨工具的珩磨行程的数量。换言之，图7阐明了根据本发明的工艺步骤“锥形珩磨”的替选方案，其能够不仅时间受控地而且行程受控地运行。

珩磨工具如普遍知晓的那样往复运动，其中其在下部折返点up和上部折返点op之间振动。

在第二工艺步骤中，首先执行具有最大行程长度op1-up的行程工具的几个行程，直至珩磨条已靠贴在尚为柱形的孔上。这些行程在图7中未示出。在时间点t＝t1，孔还是柱形的。

孔的所期望的锥形形状根据本发明通过如下方式实现：行程长度h逐行程地减小，从最大行程hmax＝op1-up开始减小到直至最小行程hminop2-up。在此，下部折返点up的位置保持不变。换言之，孔的下部分相较于孔的上部分更频繁地被未示出的珩磨工具的珩磨条加工。由此得到孔的所期望的锥形形状。

一旦行程长度达到边界值op2或者低于边界值，则根据本发明的第二工艺步骤结束并且产生锥形的孔。

当代替锥形的孔要珩磨所谓的瓶形时，也即孔具有更窄的上部柱形部段，接着是锥形部分和进一步接着是另一柱形部段，则这可以利用根据本发明的方法通过合适选择下部折返点up同样非常低成本地且工艺可靠地实现。在此情况下，下部折返点up会进一步朝向上部折返点op略微延长。

在根据本发明的第二工艺步骤的一个特别有利的设计方案中，一直且仅在珩磨工具处于边界值op2与下部折返点up或up2之间的时间期间进行珩磨条的进给。这在图7中通过另一曲线图示出。这意味着，总是当珩磨工具处于op1与op2之间时不进行进给。只有当工具处于在op2与up之间的区域中时才进行进给。

这有多个积极效果：一方面总是短时在要扩宽的孔的下端部处提高挤压力并且因此在那里进行提高的材料去除，使得非常良好地近似实现孔的所期望的锥形形状。此外，该方式在控制技术上可以特别简单地掌控，因为恒定的行程速度假定，一旦珩磨工具在至下部折返点的路径上已达到边界值op2，就可以开始进行进给。在从下部折返点朝向上部折返点的返回路径上在相同部位处中断进给运动。

在图8中再次详细地阐述了第二工艺步骤的第二实施形式。在此情况下可看到的是，通过电机械的进给装置27经由进给杆29和进给锥体31根据行程使承载图4中所示的珩磨条13的承载条33进给。在此，在该曲线图中一方面示出了呈块34形式的珩磨条的挤压。进给作为直线35绘制在该曲线图中。

电机械的进给装置37和其转换成珩磨条13的进给运动示例性地在de10358150a1中予以描述。

在图9中示出了第三和第四工艺步骤(最终珩磨和平滑珩磨)或其实现。

在图9的左侧部分中目的是即珩磨条19或23为了最终珩磨或平滑珩磨靠贴到锥形孔11上。这通过柔软的元件进行，其可以构成为弹簧(螺旋弹簧、叶片弹簧等)。珩磨工具在图9的左侧部分中以两个不同的位置示出，一次在下部折返点up附近而一次在上部折返点op附近。

在图9的中部中现在示出了用于最终珩磨和/或平滑珩磨的工具的第一实现可能性。在此，横向给进运动的转化与图8中一样。唯一的不同在于，珩磨条23承载到承载条33上，该珩磨条摆动地支承并且借助弹簧25压贴于孔11的壁。珩磨条23的转动点在图9中用35表示。在此要注意的是，形成转动点的销钉在长孔37中引导，使得珩磨条23可以最佳地靠贴于孔的壁11的轮廓。

在图9的右侧部分中示出了用于最终珩磨和平滑的合适工具的另一实施例。这在de102014000476a1中公开，对此予以参考。

在图10中再一次示出了根据图2的动态进给的实现(第二工艺步骤的第二替选方案)和其在珩磨工具中的实现。虚线示出的块39是根据珩磨工具41的行程位置在不同的位置中的珩磨条13。珩磨工具的行程在图10中通过双箭头表示。

在图11中示意性地示出了珩磨工具，该珩磨工具具有两组珩磨条。利用所述珩磨工具可以执行第一工艺步骤(柱形预珩磨)和第二工艺步骤(锥形珩磨)。为了执行第一工艺步骤，将长的珩磨条43与要加工的孔接合(未示出)。进给通过两个进给锥体(未示出)进行，所述进给锥体与承载条45的对应的倾斜面以本身已知的方式共同作用。

珩磨条13用于锥形珩磨经预珩磨的孔。珩磨条13与用于预珩磨的珩磨条43相比相对短。所述珩磨条13也经由珩磨工具的承载条47和第二进给装置(未示出)进行进给。

在图12中示出了可双倍进给的珩磨工具的实施例。借助其工具可以执行工艺步骤3(最终珩磨)和4(平滑珩磨)。珩磨工具本身在现有技术中是已知的。

该工具具有不同的珩磨条。相对短的珩磨条45用于最终珩磨。相对长的珩磨条47用于平滑珩磨。