HONWERKZEUG UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG

Technisches Gebiet

[01] Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein rotierende

Honwerkzeuge zum Erzeugen einer hochgenauen Kontur von gekrümmten Dicht- , Klemm- oder Lagerflächen wie z.B. Kugel- oder Kegelflächen oder sonstigen konvexen oder konkaven Flächen in einem Bauteil in einem Arbeitsgang.

[02] Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur

Herstellung solcher Honwerkzeuge.

Hintergrund

[03] Insbesondere in der Werkzeugmaschinen- und Automobilindustrie sowie der Motorenfertigung ist die Herstellung von räumlich gekrümmten, hochgenauen Oberflächen in Bauteilen notwendig. So müssen oftmals für Dicht-, Klemm- oder Lagerflächen wie z.B. in Verbrennungsmotoren oder Ventilen räumlich gekrümmte Oberflächen geschaffen werden, die zumindest eine der nachfolgenden Oberflächeneigenschaften haben:

[04] a) Oberflächenrauheit der Bauteile Ra < 0.5 gm

[05] b) maximale Profilabweichungen Bauteil Pt = max. 3 gm

[06] c) maximale Profilabweichungen Werkzeug Pt = max. 1.6

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[07] Zur Herstellung derartig hochgenauer Oberflächen werden

Honwerkzeuge eingesetzt. Mittels solcher Hon- oder Formwerkzeuge soll - oftmals in einem einzigen Arbeitsgang - eine gewünschte Kontur mit sehr hohen Oberflächengüte in dem Werkstück erzeugt werden. Honwerkzeuge können standardmäßig aus Vollhartmetall oder Schnellarbeitsstahl oder aus einem Führungskörper mit CVD-Dickfilm oder einem Führungskörper mit angelöteten Schneiden aus Hartstoff (CVD, PKD, Hartmetall, CBN) bestehen. Ebenso können die Honwerkzeuge eine Anzahl unterschiedlichster Schneiden aufweisen.

[08] Eine erste Kategorie von Honwerkzeugen umfasst ein abtragendes und umformendes Werkzeug ohne definierte Schneiden, aber mit bestimmter Oberflächenrauheit, um die Oberfläche am Bauteil ohne nennenswerten und definierten Spanabtrag zu bearbeiten. Derartige Honwerkzeuge erzeugen durch das Drücken auf die Oberfläche eine verdichtete Oberfläche und ebnen bestehende Rauheiten ein. Durch die Belastungen kommen hier vor allem hochharte Schneidstoffe aus CBN oder Diamant zum Einsatz. Ist die Konturherstellung nicht genau genug wird dies auf der Bauteil Oberfläche anhand von Riefen und Spuren sichtbar.

[09] Bei einer zweiten Kategorie von Honwerkzeugen ist wenigstens eine definierte Schneide vorhanden, um die Oberfläche am Bauteil durch einen definierten Spanabtrag zu bearbeiten. Insbesondere fallen hierunter Reibahlen mit zwei und mehr Schneiden. Die Reibahlen kommen überwiegend dort zum Einsatz wo aufgrund von Bauteilkonturen noch Absätze oder Durchmesser zueinander stimmen müssen und sich die Anwendung nicht nur auf eine Dichtfläche begrenzt. Dadurch kommen hier überwiegend beschichtete Werkzeuge zum Einsatz.

[10] Derartige Honwerkzeuge bewegen sich sowohl in der Längsachse als auch drehend. Daher ist eine gehonte Fläche meist am Kreuzschliff (Kreuzstrich) erkennbar. Dieser Kreuzschliff ist charakteristisch für das Bearbeitungsverfahren des Honens, das auch als „Ziehschleifen“ bezeichnet wird. Er verbessert die Gleit- und Notlaufeigenschaft, da sich in den kleinen Furchen 01 sammeln kann. Außerdem wird die Rundheit des bearbeiteten Werkstücks deutlich verbessert. [11] Bauteile, die mit solchen Honwerkzeugen hergestellt werden, besitzen in der Regel ein sehr geringes Toleranzband hinsichtlich Form- und Lagetoleranzen, weshalb eine präzise Abstimmung des Formwerkzeugs notwendig ist. Im Falle von Dichtsitzen, Klemm- oder Lagerflächen, welche sich über Radienformen, Formschrägen oder sonstigen konvexen oder konkaven Flächen an Bauteilen abbilden können, sind sowohl eine extrem gute Oberflächengüte als auch hochgenaue Form- und Lagetoleranzen für die spätere Funktion des mittels des Formwerkzeuges herzustellenden Bauteils notwendig.

[12] Im vorliegenden Fall sind unter dem Begriff Honwerkzeug beide genannten Kategorien von Werkzeugen zu subsumieren, d.h. insbesondere sind Reibahlen besondere Honwerkzeugen im Sinne dieser Offenbarung.

[13] Aus der EP 2 868 413 Bl ist ein hartbeschichtetes Schneidwerkzeug bekannt, das eine definierte Schneidkante aufweist. Die definierte Schneidkante besitzt eine Flankenfläche und eine Spanfläche. Eine harte Beschichtung ist auf der Seite der Flankenfläche und auf der Seite der Spanfläche in der Nähe der Schneidkante in einen Querschnitt senkrecht zu der Schneidkante in einem Bereich, der kleiner oder gleich 0,3x der Werkzeugdurchmesser ist, in der axialen Richtung von der Spitze des Werkzeugs speziell ausgebildet.

[14] Aus der JP 2008 229 838 A ist ein Diamantschneidwerkzeug bekannt, bei dem eine Schneidplatte mittels ultrakurzer gepulster Laserstrahlen mit periodischen Strukturen von 5 nm bis 3000 nm ausgebildet ist, um die Standzeit der Schneidspitze zu verlängern.

[15] Ein Verfahren zur Beeinflussung des Spanflussverhaltens von Werkzeugflächen im Bereich von Schneidkanten bei spanerzeugenden Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide ist aus der DE 197 24 319 CI bekannt. Hier wird mit Hilfe einer Laserbestrahlung zumindest die Spanflächen im geringen Abstand zur Schneidkante mit einem die Oberflächenstruktur verändernden Muster versehen. Das Muster kann nach einer Ausgestaltung aus einer Reihe von Strichen und/oder Punkten bestehen, etwa aus einem Streifen oder einer Spur aus Strichen und/oder Punkten, welcher im Abstand zur Schneidkante verläuft. Die Laserbestrahlung ist derart, dass im Bereich des Substratmaterials oberflächlich eine Umschmelzung und möglicherweise eine Oxidation erzeugt werden, wodurch eine erhöhte Oberflächenrauheit entstehen soll, die Einfluss auf die Spangeschwindigkeit hat. Durch die bestimmte Richtungsgebung der das Muster bildenden Markierungen lässt sich nicht nur die Fließgeschwindigkeit sondern auch die Fließrichtung beeinflussen.

[16] In der WO 2012 032286 Al ist ein Bohrschneidwerkzeug beschrieben, bei dem in der Schneidfläche des Werkzeugsubstrats, in dem eine Vielzahl von Grübchen ausgebildet sind und die Beschichtung auch diese Grübchen ausfüllt.

[17] Aus der JP 03196976 A und JP 10113878 A sind Schleifscheiben mit mehreren radialen feinen Nuten bekannt, die beispielsweise mittels Laser in die Schleifscheibe eingebracht werden.

[18] Ein Verfahren zur laserbasierten Erzeugung einer Struktur an einer Spanfläche eines spanenden Werkzeugs ist aus der DE 2018 102 108 B4 bekannt. Hier wird mindestens eine Struktur mittels Linien gebildet, wobei die Linien in einem Abstand von maximal 400 pm mit einem Laserstrahl zumindest bereichsweise innerhalb einer vorgegebenen Kontur an mindestens einer Spanfläche des spanenden Werkzeugs erzeugt werden. Die Ausrichtung oder der Verlauf der strukturbildenden Linien orientiert sich an einem Profil mindestens einer Schneidkante der mindestens einen Spanfläche.

[19] Schließlich zeigt die JP 11156714 A ein Abrichtwerkzeug, das mit Diamanten besetzt ist. Mittels Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen wird eine Nut parallel zur Drehachse ausgebildet. Damit soll die Abrichtschärfe verbessert werden. [20] Honwerkzeuge der hier interessierenden Art erhalten mittels Schleifen oder Lasern die gewünschte Kontur zur Erzeugung einer konturgenauen scharfen Schneide und Form. Es wurde aber festgestellt, dass eine scharfe Schneidkante oder - bei reinen Reibarbeitsflächen - eine zu glatte Oberfläche an der Werkzeugkontur bei Dichtflächen nicht ideal ist. Durch das Erzeugen einer zu glatten Oberfläche am Bauteil kommt es durch kleinste Abweichungen in der Bauteilform zu Undichtigkeiten und das Bauteil wird unbrauchbar.

[21] Der vorliegenden Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde, ein Honwerkzeug bereit zu stellen, das einen oder mehrere der zuvor genannten Mängel verringert.

Zusammenfassung der Offenbarung

[22] Dieses technische Problem wird durch ein Honwerkzeug zum Erzeugen einer hochgenauen Kontur von gekrümmten Dicht-, Klemm- oder Lagerflächen wie z.B. Kugel- oder Kegelflächen oder sonstigen konvexen oder konkaven Flächen in einem Bauteil, gelöst, das einen Werkzeugschaft, der zum Aufnehmen des Honwerkzeuges in einer Werkzeugaufnahme ausgebildet ist, und einen sich an einem Ende des Werkzeugschaftes anschließenden, rotationssymmetrischen Führungskörper umfasst. Der Führungskörper weist eine Reibarbeitsfläche auf, die das Bearbeiten der in einem Bauteil herzustellenden Kontur erlaubt, und die zusätzlich wenigstens eine in diese Reibarbeitsfläche eingebrachte Spiralnut aufweist.

[23] Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die bei einem solchen Werkzeug bisher vorhandene Reibarbeitsfläche, die mit oder ohne Schneide(n) ausgebildet sein kann, durch zusätzliches Einbringen wenigstens einer Spiralnut im Arbeitsergebnis dahingehend zu verbessern, dass eine Art „Schaben“ entlang der herzustellenden Oberflächenkontur im Werkstück eine Glättung der Werkstückoberfläche bewirkt. So kann insbesondere bei Dicht- oder Ventilsitzen eine Oberflächenrauheit erzielt werden, die in Kombination mit der bisherigen Formtoleranz eine Dichtheit des Werkstücks ermöglicht.

[24] Anzumerken ist, dass die zusätzlich auf die Arbeitsfläche des Werkzeugs aufgebrachte, wenigstens eine Spiralnut nicht zwingend durchgehend sein muss. Sie kann auch Unterbrechungen aufweisen, so dass die eine Spiralnut am Umfang der Arbeitsfläche nur abschnittsweise ausgebildet ist, also Unterbrechungen aufweist.

[25] Bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs weist die Reibarbeitsfläche des Führungskörpers eine Rauheit Ra = 0,02 pm bis 0,4 pm bei Pt < 3,2 pm auf.

[26] Die Spiralnut kann beispielsweise eine Tiefe t = 0,3 pm bis 8 pm, insbesondere 0,8 pm bis 2,5 pm, und eine Spiralbreite b = 2 pm bis 40 pm, insbesondere 5 pm bis 15 pm aufweisen.

[27] Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs hat die wenigstens eine Spirale gegenüber der Rotationsachse des Honwerkzeugs eine Steigung s = 0,8 pm bis 200 pm, insbesondere 5 pm bis 50 pm.

[28] Insbesondere kann es vorteilhaft sein, dass bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs wenigstens zwei Spiralnuten in Richtung der Rotationsachse zueinander versetzt angeordnet sind.

[29] Vorzugsweise haben die wenigstens zwei Spiralen die gleiche Steigung und verlaufen parallel zueinander.

[30] Alternativ weisen die wenigstens zwei Spiralen die gleiche oder unterschiedliche Steigungen auf, verlaufen aber gegensätzlich zueinander.

[31] Bei einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs ändert sich die Tiefe und/oder Steigung der Spiralnut in Rotationsachsenrichtung gesehen entlang der Reibarbeitsflächenkontur. [32] Erfindungsgemäße Honwerkzeuge bestehen vorzugsweise aus den Materialen, wie sie bereits hinlänglich in diesem technischen Gebiet bekannt sind, also Vollhartmetall oder Schnellarbeitsstahl.

[33] Bei einer beispielhaften Ausführungsform besteht der Führungskörper aus einem Hartstoff umfassend:

[34] a) Vollhartmetall mit einem 7 - 12 pm CVD-Dickfilm

[35] b) Vollhartmetall mit aufgelötetem CBN

[36] c) Vollhartmetall mit aufgelötetem PKD

[37] d) Vollhartmetall mit aufgelötetem CVD

[38] Vorzugsweise ist die Reibarbeitsfläche des Führungskörpers mit einem CVD-Dickfilm versehen, in den die wenigstes eine Spirale eingebracht ist. Alternativ ist der Führungskörper mit angelöteten Schneiden aus Hartstoff wie z.B. CVD, PKD, Hartmetall, CBN) versehen. Auch hier ist dann die mindestens eine Spirale zusätzlich auf die Oberfläche des Funktionsbereichs eingebracht.

[39] Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung mit zusätzlicher Spirale im Funktions- oder Arbeitsbereich des Honwerkzeugs kann auch bei Werkzeugen mit Schneiden sinnvoll sein. Aber aufgrund anwendungstechnischer Gegebenheiten und der Eigenschaften bei der Spanbildung können diese Werkzeuge möglicherweise schlechtere Bauteil oberflächen im Vergleich zu einem Reibwerkzeug ohne Schneiden erzeugen.

[40] Wie bei bisherigen Honwerkzeugen bekannt, kann auch bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeuges die Reibarbeitsfläche des Führungskörpers mit polykristallinem Diamant versehen sein und hierin die wenigstens eine Spiralnut eingebracht sein.

[41] Abschließend ist hervorzuheben, dass die Form und/oder Kontur der Reibarbeitsfläche je nach Verwendungszweck beliebig geformt sein kann. Vorzugseise hat die Reibarbeitsfläche des Führungskörpers eine (Teil-)Kugel- oder Kegelform. [42] Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines rotierenden Honwerkzeugs mit dem eine hochgenaue Kontur von gekrümmten Dicht-, Klemm- oder Lagerflächen wie z.B. Kugel- oder Kegelflächen oder sonstigen konvexen oder konkaven Flächen in einem Bauteil, insbesondere in einem Arbeitsgang herstellbar ist. Ein derartiges Verfahren umfasst das Bereitstellen eines an sich bekannten Honwerkzeugs mit einem Werkzeugschaft, der zum Aufnehmen des Honwerkzeugs in einer Werkzeugaufnahme ausgebildet ist. An dem einen Ende des Werkzeugschaftes schließt sich ein rotationssymmetrischer Führungskörper an, der eine Reibarbeitsfläche aufweist, die es erlaubt, die in einem Bauteil herzustellende Kontur hochgenau herzustellen. Erfmdungsgemäß wird wenigstens eine Spiralnut in die Reib arb eit sfläche des Führungskörpers eingebracht, beispielsweise mittels Laser.

[43] Das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren funktioniert grundsätzlich sowohl bei den Honwerkzeugen mit reiner Reib arb eit sfläche wie auch bei Reibahlen mit definierter Schneide. Für den Ablauf spielt es keine Rolle ob und wieviel Schneiden sich am Werkzeug befinden. Konturen entlang des Umfangs sind hier nachzuarbeiten und können auf gewünschte Rauheiten eingestellt werden. Konturen und Schneiden an der Stirn der Werkzeuge können eventuell nur bedingt erzeugt werden.

[44] Bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Einbringen der wenigstens einen Spiralnut mit einem Laserfaktor von 0,3 kWs/mm bis 16.2 kWs/mm. Der Laserfaktor setzt sich hierbei aus der Kontaktzeit des Lasers mit dem Führungskörper, der verwendeten Laserleistung und des zu bearbeitenden Schneidstoffs zusammen. Es gilt:

[45] Laserfaktor = Kontaktzeit [s/mm] * Laserleistung [kW] * Schneidstofffaktor, wobei für beispielhafte Ausführungsformen gilt: [46] Laserleistung 13 - 17 kW;

[47] Kontaktzeit 0,025- 1 s/mm;

[48] Schneidstofffaktor 0,7- 1,1,

[49] insbesondere z.B. für PKD = 0,8 - 1,1, für CVD = 0.97, für CBN = 1,05, für CVD-Dickfilm = 1.

[50] Ein einfaches und effektives Einbringen der Spiralnut ist bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, indem der Laserstrahl tangential entlang der Reibarbeitsfläche die wenigstens einen Spiralnut eingebracht wird.

[51] Vorzugsweise wird die wenigstens eine Spirale mittels ortsfest angeordnetem Laser und sich gleichzeitig drehendem und in Richtung der Rotationsachse des Honwerkzeuges translatorisch bewegendem Führungskörper erzeugt, wobei die Steigung in Abhängigkeit der Drehrate und der translatorischen Geschwindigkeit eingestellt wird. Vorzugsweise beträgt die Steigung s = 0,8 pm bis 200 pm und insbesondere in den hierin anderweitig offenbarten Bereichen.

[52] Je nach gewünschter Rauheit und Oberflächengüte am Bauteil wird bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Tiefe und/oder Steigung der Spirale in Rotationsachsenrichtung gesehen entlang der Reibarbeitsflächenkontur verändert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[53] Im Folgenden sind beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

[54] Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Werkstücks mit kalottenförmiger Ventilsitzfläche, die mittels eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs hochgenau herzustellen ist, [55] Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Werkstücks mit einer Kegel sitzfläche, die mittels eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs hochgenau herzustellen ist,

[56] Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugs,

[57] Fig. 4 eine schematische Detailansicht der Spitze des Werkzeugs gemäß Fig. 3,

[58] Fig. 5 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugs mit teilkugelförmiger Bearbeitungsfläche,

[59] Fig. 6 ein Detail der Spitze des Werkzeugs gemäß Fig. 5,

[60] Fig. 7 eine schematische Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Werkzeugs mit definierten Werkzeugschneiden und in diesem Bereich aufgebrachter zusätzlicher Spirale gemäß der vorliegenden Erfindung,

[61] Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Herstellung einer Spiralnut auf einem Honwerkzeug, und

[62] Fig. 9 eine weitere schematische Seitenansicht auf die Vorrichtung nach Fig. 8.

[63]

Detaillierte Beschreibung

[64] Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bauteils 2 mit hochgenau geschliffener Ventilfläche 4, die im vorliegenden Fall einem Teil einer Kugelfläche entspricht. Derartige Oberflächen und Konturen sind insbesondere im Motorenbau notwendig.

[65] Eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Bauteils 3 mit hochgenau hergestellter Kegel sitzfläche 5 ist in der Fig. 2 gezeigt. Auch derartige, in Querschnittsansicht plane Flächen, räumlich gesehen hier kegelstumpfförmige Flächen 5 müssen je nach Anwendungsfall hochgenau bearbeitet sein. Wie bereits einleitend dargelegt, müssen derartige Flächen vorzugsweise zumindest eine der nachfolgenden Oberflächeneigenschaften haben, d.h. Oberflächenrauheit der Bauteile Ra < 0.5 pm, maximale Profilabweichungen Bauteil Pt = max. 3pm und maximale Profilabweichungen Werkzeug Pt = max. 1.6 pm.

[66] Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Flächen 4, 5 werden heutzutage mit Honwerkzeugen hergestellt, die ganz spezielle Reibflächen aufweisen, um hochgenaue Oberflächenstrukturen zu schaffen.

[67] Eine beispielhafte schematische Seitenansicht eines solchen Honwerkzeugs ist in der Fig. 3 gezeigt. Dieses Honwerkzeug 10 umfasst einen Werkzeugschaft 12, an den sich ein Führungskörper 14 anschließt. Das gesamte Honwerkzeug 10 ist so beschaffen, dass es sich um die Rotationsachse X dreht.

[68] Der Führungskörper 14 umfasst einen zylindrischen Führungsteil 18 und an der Spitze einen kegelstumpfförmigen Teil 16. Der Führungskörper 14 mit den Teilflächen 16, 18 ist hier mit einer Beschichtung 20 versehen. Die Beschichtung 20 kann beispielsweise ein CVD-Dickfilm oder eine Diamantbeschichtung üblicher Bauweise sein.

[69] Derartige Werkzeugs sind an sich bekannt, weisen allerdings das Problem auf, dass die gewünschten hochgenauen Flächen 4, 5 nur bedingt erzielbar sind.

[70] Eine Ergänzung eines solchen bekannten Werkzeugs 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Fig. 4 schematisch dargestellt. So werden der Führungskörper 14 und die darauf vorgesehenen Reibflächen 16, 18 mit wenigstens einer Spiralnut 16 versehen, die eine Steigung s aufweist. Die Steigung gegenüber der Rotationsachse des Honwerkzeugs beträgt vorzugsweise s = 0,8 pm bis 200 pm.

[71 ] Die Steigung wird umso geringer gewählt j e weniger Strukturen auf einem späteren Bauteil gewünscht sind und je geringer der Laserstrahldurchmesser am Fokuspunkt auf der Maschine gewählt wurde. Bei Werkzeugen mit grober Oberflächenstruktur wird die Steigung größer gewählt.

[72] Beispielsweise werden für Ra-Werte bis 0,2 pm Steigungen von <50 pm verwendet. Für einen Laserstrahldurchmesser bis 0,2 mm werden vorzugsweise Steigungen kleiner 50 pm verwendet. Ein größerer Laserstrahldurchmesser erlaubt eine größere Steigung.

[73] Bei einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs weist die Reibarbeitsfläche des Führungskörpers eine Rauheit Ra = 0,015 pm bis 0,4 pm bei Pt < 3,2 pm auf.

[74] Die Spiralnut kann beispielsweise eine Tiefe t = 0,3 pm bis 8 pm, insbesondere bis 2,5 pm und eine Spiralbreite b = 2 pm bis 40 pm, insbesondere 2,5 pm bis 25 pm aufweisen.

[75] Die Breite und Tiefe einer Spiralnut wird durch den Laserstrahldurchmesser und die radiale Zustellung durch die tangentiale Positionierung am Durchmesser der Reibfläche bestimmt. Die Auswahl der entsprechenden Werte richtet sich vorzugsweise nach dem kleinsten Innenradius an der Werkzeugkontur, beträgt aber meistens mindestens 0,03 mm.

[76] Zusätzlich ist der Schneidstoff am Werkzeug relevant. Stark absorbierende Materialien, wie z.B. PKD mit geringem Binderanteil, werden mit einem kleineren Durchmesser bearbeitet, um die Energiedichte zu fokussieren und das Material besser abtragen zu können. Bei Werkzeugen mit grober Oberflächenstruktur wird die Steigung und damit auch die Breite größer gewählt.

[77] Für Ra-Werte bis 0,2pm werden z.B. in der Regel Breiten kleiner 50pm festgelegt. Die Tiefe ergibt sich dann aufgrund der gewählten Breite und des Laserdurchmessers.

[78] Die Spiralnut 16 erstreckt sich bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl über den planen zylindrischen Teil 18 bis in die kegelstumpfförmige Spitze 16 und ist in die Beschichtung 18 mittels Laser eingebracht. [79] Es sei hier nur beispielhaft angemerkt, dass die Spirale 16 sich nicht durchgehend über den Führungskörper bzw. die Reibfläche erstrecken muss; die Spiralnut 16 kann sich auch nur abschnittsweise über die Reibfläche erstrecken. Beispielsweise ist es also möglich, dass die Spiralnut 16 immer wieder unterbrochen ist; im vorliegenden Fall wäre also damit die Beschichtung nicht durch die Spiralnut in kleinen Abschnitten vertieft.

[80] Ferner ist hervorzuheben, dass eine oder mehrere Spiralnuten parallel oder gegenläufig zueinander vorhanden sein können. Des Weiteren können sich die Spiralnuten 16 über ihre Erstreckungsrichtung in Richtung der X- Achse in ihrer Breite und/oder Tiefe verändern. Des Weiteren ist es auch möglich, die Steigung nicht immer konstant zu halten, sondern in bestimmten Bereichen zu vergrößern oder zu verkleinern.

[81] Die Fig. 5 zeigt einen an sich bekannten VHM-Schleifstift 10, der im Bereich seiner Reibarbeitsfläche 20, d.h. im Spitzenbereich, der sich über die Länge h erstreckt, mit einer Spirale gemäß der Fig. 4 versehen ist.

[82] Der VHM-Schleifstift 10 umfasst einen Werkzeugschaft 12 und einen sich daran anschließenden Führungskörper 13. Der Werkzeugschaft 12 weist einen Durchmesser d2 auf, der größer ist als der Durchmesser di des Führungskörpers 13. Als Übergang zwischen Werkzeugschaft h und Führungskörper 13 ist eine keglige Ausbildung vorgesehen, die einen Winkel a, hier 60°, aufweist. Der beispielhafte Schleifstift 10 hat eine Gesamtlänge h. Der eigentliche Führungskörper 13 hat eine Länge I2.

[83] Wie bereits zuvor angemerkt, besitzt die Spitze des Führungskörpers 13 eine Reibarbeitsfläche 20, die sich bis zur abgeplatteten Spitze mit einer Länge h erstreckt. Die Reibarbeitsfläche 20 hat einen zylinderförmigen Bereich und einen sich daran anschließenden kalottenförmigen Bereich mit dem Radius n. An der Spitze ist wiederum eine plane Fläche mit dem Durchmesser d3 vorgesehen. [84] Die Ausgestaltung der Spitze dieses VHM-Schleifstifts 10 ist noch besser in der Fig. 6 ersichtlich. Hier ist die Spiralnut 16 mit einer Steigung s = , einer Tiefe t = und einer Breite b = in die Reibarbeitsfläche 20 mittels Laser einbracht worden.

[85] Die Fig. 7 zeigt eine schematische Seitenansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Honwerkzeugs 50, das mit definierten Schneidflächen in üblicher Weise ausgestattet ist. Hier erstreckt sich der gesamte Führungskörper 52 über eine Länge 1 _S 2. Die Schneiden 54 erstrecken sich über eine kleinere Länge 1 _S 3. Dieser Reibflächenbereich mit Schneiden hat einen Durchmesser d _s i. Dieser Durchmesser d _si ist kleiner als der Durchmesser des Werkzeugschafts d _S 2. Wiederum ist auf der Reibarbeitsfläche eine Spiralnut 54 mittels Laser eingebracht. Das heißt, die Spiralnut 54 erstreckt sich über die Länge 1 _S 3 bis zur abgeplatteten Spitze. Die Spiralnut 54 kann wiederum die gleichen Abmessungen wie zuvor erläutert haben.

[86] Eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Honwerkzeugs in Form eines Schleifstifts 100 ist in der Fig. 8 gezeigt; hier ist der Schleifstift 100 lediglich mit einer zylindrischen Reibarbeitsfläche 115 versehen. Wiederum weist die Reibarbeitsfläche eine Spiralnut mit den zuvor genannten Abmessungen auf.

Gewerbliche Anwendbarkeit

[87] Anhand der in den Fig. 9 und 10 gezeigten Vorrichtung wird nun die Herstellung der Spiralnut auf einer Reibarbeitsfläche 20 eines Honwerkzeugs 10 der zuvor beschriebenen Bauart erläutert.

[88] Ein Honwerkzeug 10, wie es zuvor beschrieben wurde, wird am Werkzeugschaft 12 in eine drehbare Spannaufnahme 300 eingespannt. Ein Laser 200 erzeugt einen Laserstrahl 205, der so tangential an die Reibarbeitsfläche 20 ausgerichtet wird, dass ein Arbeitspunkt 210 auf der Reibarbeitsfläche 20 erzeugt wird. Durch gleichzeitige Drehung und translatorische Bewegung des eingespannten Honwerkzeugs 10 wird somit in der Reib arb eit sfläche eine Spiralnut 16 mit den zuvor genannten Abmessungen hergestellt. Der Laserfaktor beträgt hierbei zwischen 0,3 und 16,2 kWs/mm.

[89] Am beispielhaften Werkzeug mit einer Reibfläche aus CVD- Dickschicht erfolgt die Bearbeitung wie folgt:

[90] Anhand der geforderten Oberflächengüte von Pt < 1,6, einem radialen Aufmaß am Werkzeug von 0,02 mm und eines gewählten Laserdurchmessers von 0,055 mm wird eine notwendige Steigung von 0,010 mm errechnet. Darüber lassen sich die Maschinenparameter Drehzahl und Vorschub zur Herstellung der spiralförmigen Oberfläche ermitteln: Steigung = Vorschub/Drehzahl, hier also z.B. 0,01mm/U = 2mm/min / 200 U/min .

[91] Über die abgewickelte Länge der Spirale entlang der Reibfläche, also Werkzeugumfang*Bearbeitungslänge, und der Vorschubgeschwindigkeit lässt sich somit die Kontaktzeit des Laserstrahls je mm bestimmen. Diese sollte zwischen 0,025 s/mm und 1,0 s/mm liegen.

[92] Materialien wie PKD (mit geringem Binderanteil) und CBN benötigen Kontaktzeiten größer 0,2 s.

[93] CVD-Schichten und CVD sind vorzugsweise mit Kontaktzeiten kleiner 0,1s zu bearbeiten. Zusätzlich sinkt die notwendige Kontaktzeit je kleiner der Laserdurchmesser gewählt wurde. Wird die Kontaktzeit zu lang, wird das Material geschädigt und der Materi al ab trag ist zu groß. Bei zu kleiner Kontaktzeit ist der Material ab trag nicht ausreichend. Im gezeigten Werkzeug liegt die Kontaktzeit bei 0,037s/mm

[94] Die Laserleistung für einen Finishprozess liegt bei CVD bei einem Wert von 0,83 bei 16kW Laserleistung.

[95] Zum Einbringen der Spiralnut kann beispielsweise ein ns-Laser (Nanosekundenlaser) verwendet werden. Es handelt sich dabei um einen ND- YAG-Festkörperlaser wie er standardmäßig in dem Maschinentyp Rollomatic Lasersmart 500 in der Produktionscharge aus dem Jahr 2014 verbaut wurde.

[96] Die Maschine wird über die maschineneigene Steuerung „LaserSmart“ geregelt. Die PC Anwendung „LaserSuite“, ebenfalls von Rollomatic, dient der Verwaltung und Einstellung der Laserparameter.

[97] Das Werkzeug wird in den Workhead der Maschine, bestehend aus rotierender C-Achse mit entsprechender Spannaufnahme, eingespannt. Nach dem antasten des Werkzeugs mittels Kugel und Flächentaster zur Erfassung des Längen- und Durchmessermaßes erfolgt die Bearbeitung. Maschinenbedingt können auch Rundläufe und Formgenauigkeit von <0.003 pm prozesssicher reproduziert werden.

[98] Das Werkzeug wird nach dem einmessen über die entsprechenden Achsen positioniert und die Laseroptik öffnet, um die Bearbeitung zu starten. Die C-Achse beginnt gegen den Uhrzeigersinn zu rotieren. Der austretende Laserstrahl wird nun tangential entlang der Werkzeugkontur geführt. Dabei erfolgt in der Regel zuerst die Bearbeitung der zylindrischen Durchmesserflächen vorzugsweise beginnend an der Spitze des Werkzeuges in Richtung Schaft.

[99] In einem zweiten Schritt erfolgt die Bearbeitung der Konvexen oder konkaven Flächen. Die Reihenfolge der Bearbeitung hat in erster Linie einen wirtschaftlichen Hintergrund, beim Einrichten eines neuen Produktes auf der Maschine sind wie bei anderen Maschinen Einstellungen vorzunehmen, damit Temperaturschwankungen und sonstige äußere Einflüsse zu eliminieren sind. Der maximale Abtrag zur Bearbeitung der Oberfläche und um die Spirale aufzubringen beträgt hier z.B. 8pm. Zur Reduzierung von Ausschuss wird daher zuerst der Durchmesser eingestellt. Der Durchmesser ist einfacher zu messen als eine Radius- oder Konuskontur. Anschließend erfolgt die Bearbeitung der Kontur, die aufgrund der sehr guten Positionier- und Wiederholgenauigkeit der Maschine ohne weiteren Aufwand bearbeitet werden kann. [100] Nach Abschluss der Laserbearbeitung erfolgt ein Finishing mittels

Gleitschleifen, hier Verrunden einer Schneidkante, um lose Ablagerungen, die durch den Laserprozess noch anhaften abzulösen und somit eine saubere und gleichmäßige Kontur zu erhalten.

[101] Eine beispielhafte Arbeitsschrittfolge bei der zuvor beschriebenen

Rollomatik-Maschine ist nachfolgend widergegeben:

I

[102] Honwerkzeuge 10, 50, 100 der zuvor beschriebenen Bauart werden in üblicherweise zur Herstellung von hochgenauen Flächen in Bauteilen verwendet. Die Herstellungsergebnisse sind allerdings besser als bei bisher bekannten Honwerkzeugen, was auf die zusätzlich eingebrachte, wenigstens eine Spiralnut 16 zurückzuführen ist.