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Honmaschinen Honen und Finishen bestimmen die Qualität von Verbrennungsmotoren

| Autor/ Redakteur: Josef Schmid / Rüdiger Kroh

Wichtige Motorkennzahlen wie Reibung, Verschleiß und Betriebssicherheit werden im Wesentlichen durch die Endbearbeitung bestimmt. Den steigenden Ansprüchen an Oberflächenbeschaffenheit und Maßhaltigkeit der Werkstücke müssen daher die Verfahren Honen und Finishen gerecht werden.

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Honen einer Zylinderbohrung in einem Motorblock. Die Qualität und das Leistungsvermögen eines Verbrennungsmotors stehen und fallen mit dem Ergebnis der Endbearbeitung.
Honen einer Zylinderbohrung in einem Motorblock. Die Qualität und das Leistungsvermögen eines Verbrennungsmotors stehen und fallen mit dem Ergebnis der Endbearbeitung.
(Bild: Nagel)

Die Qualität und das Leistungsvermögen eines Verbrennungsmotors stehen und fallen mit der Güte der Endbearbeitung. In dem Beitrag wird erklärt, warum es sich lohnt, das Know-how der Maschinenhersteller schon möglichst früh bei der Entwicklung eines Motors zu nutzen. Denn unter anderem bestimmen Honen und Finishen so wichtige Motorkennzahlen wie Reibung, Verschleiß und Betriebssicherheit. Die Übertragung neuer Entwicklungsergebnisse auf die Serienfertigung hängt jedoch davon ab, ob sich die Ideen in der Praxis als prozesssicher und wirtschaftlich erweisen.

Immer kürzere Zeiträume zwischen Entwicklungsphase und Serienstart verlangen, dass der Hersteller von Bearbeitungsmaschinen schon sehr früh an Lösungen für neue Anforderungsprofile arbeiten muss. Dies gilt besonders bei der qualitätsbestimmenden Endfertigung mit stetig steigenden Ansprüchen an Oberflächenbeschaffenheit und Maßhaltigkeit der Werkstücke. Das bedeutet für den Maschinenzulieferer, dass er erhebliche Vorleistungen bringen muss, um durch Machbarkeitsanalysen, Kostenabschätzungen und Risikominimierung eine zeitnahe und verantwortliche Umsetzung in die Serie zu ermöglichen.

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Aktuelle Motorentwicklung stellt neue Anforderungen an das Honen

Dazu ein Blick auf aktuelle Trends: Motoren mit Benzindirekteinspritzung stellen auch im Hinblick auf die momentan reduzierten Bohrungsdurchmesser hohe Anforderungen an Oberflächen und Werkstoffe. So müssen eine Ölabwaschung und -verdünnung sowie deren Auswirkungen verringert werden.

Auch die Technik der Dieselnacheinspritzung führt unter Umständen zu einer höheren Ölverdampfung, die bei ungeeigneten Oberflächen die Ölfilmdicke auf ein kritisches Maß reduzieren kann. Neue beziehungsweise schlechtere Kraftstoffqualitäten führen noch zusätzlich zu einer Belastung der Zylinderlaufbahnen.

Motorenentwickler müssen diese Tatsache besonders beim Export von Fahrzeugen auf außereuropäische Märkte berücksichtigen. Hohe gekühlte Abgasrückführraten sorgen bei Nutzfahrzeugen und zukünftig vielleicht auch bei Pkw für chemischen Verschleiß von nicht entsprechend widerstandsfähigen Laufflächen.

Honen muss zu optimierten Ergebnissen im Reibverhalten führen

Es sind aber nicht nur robuste, sondern auch reibungsoptimierte Zylinderlaufbahnen gefragt. Das heißt, dass sich die ideale Endbearbeitung nicht nur am Werkstoff orientieren muss, sondern zusätzlich auch zu optimierten Ergebnissen beim Reibverhalten führen sollte. Aufgrund dieser komplexen Anforderungen gibt es unter den Anwendern sehr unterschiedliche Ansichten zum richtigen Werkstoffsystem und zu dessen adäquater Honbearbeitung.

Die Bauteilgeometrie aktueller und zukünftiger Motoren stellt eine weitere Herausforderung an den Endbearbeitungsprozess dar. So führt der Trend zum Leichtbau neben der Verringerung des Gewichts der Motorblöcke auch zu einer deutlichen Reduzierung der Bauteilwandstärken und sorgt außerdem für eine Substituierung von Werkstoffen, etwa von Gusseisen durch Aluminium.

Honbrille ermöglicht Bearbeitung im verspannten Werkstück-Zustand

Zusätzlich erfordern höhere Zünddrücke eine Erhöhung der Anzugsmomente für Schrauben. Ohne verzugskompensierende Maßnahmen führen leichtere Werkstoffe und geringere Wandstärken zu erhöhtem Verzug der Bauteile. Das kann etwa bei der Zylinderkopfmontage problematisch werden. Hier hat sich als Serienlösung aber der Einsatz einer sogenannten Honbrille bewährt, mit der sich das Werkstück im verspannten Zustand bearbeiten lässt (Bild 1 – siehe Bildergalerie).

Hinzu kommt die Gefahr von Verzügen während des Motorbetriebs: Als Gegenmaßnahme bietet sich das Freiformhonen an (Honen ohne Honbrille), bei dem, passend zu den realen Verzügen, eine ausgleichende Negativform erzeugt wird. Der Anwender nutzt dabei ein adaptives Honwerkzeug, das einzelne Leisten beziehungsweise Leistenpaare in Abhängigkeit von Hub- und Drehwinkel individuell zustellt. Der Zylinderverzug eines laufenden Motors hängt von vielen Einzelfaktoren ab, die je nach Betriebszustand variieren.

Kompensationsverfahren verlangen nach genauer Nutzenanalyse

Jeder Zylinder eines Blocks verformt sich ganz individuell und muss somit einzeln kompensiert werden. Es gibt auch noch keine eindeutige Antwort auf die Frage, ob sich erhöhte Taktzeiten, Werkzeugkosten und möglicherweise reduzierte Standzeiten gegenüber einer Brillenhonung mit Blick auf das Kosten-Nutzen-Verhältnis rechtfertigen lassen.

Als kritisch ist dieses Verfahren auch zu betrachten, wenn beim Gießen der Blöcke durch Kernversatz Schwankungen in den Wandstärken entstehen oder wenn die Dimensionen der vorgehaltenen Verzüge das Kolbenspiel übersteigen.

Deshalb gilt es, zuerst einmal die Verzugsprobleme vor allem in der Großserienfertigung durch eine optimale Werkstoffauswahl und konstruktive Maßnahmen grundlegend zu reduzieren. Erst dann lässt sich sinnvoll beurteilen, ob sich der zusätzliche Fertigungsaufwand lohnt und auch bei großen Stückzahlen prozesssicher gefertigt werden kann.

Ventilations- oder Gasaustauschbohrungen verringern Führung des Honwerkzeugs

Weitere Anforderungen für die Formbeherrschung durch Honen ergeben sich konstruktiv (Bild 2): Motorenentwickler setzen gegen Energieverlust und/oder Ölverschäumung auf Ventilations- oder Gasaustauschbohrungen. Diese verringern jedoch, vor allem bei einseitiger Anbringung, die Führung des Honwerkzeugs. Die Umsetzbarkeit der möglichen Lösung hängt dabei vom Freilauf des Werkzeugs, von der Positioniergenauigkeit oder von der gesamten Fertigungskette ab.

Als wegweisend für die ersten Honstufen bietet sich das PATH (Position and Angularity Technology of Honing) beziehungsweise das Positionshonen mit dem starren Werkzeug an, mit dem die Prozesskette deutlich verkürzt wird, weil das Feinbohren entfällt. Für das Verfahren sprechen folgende Punkte:

  • Die Fertigungskosten sinken trotz der schwierigen Geometrie, weil das zusätzliche Feinbohren entfällt, das bereits im Vorhonprozess integriert ist.
  • Das Werkzeug holt sich beim PATH-Honen im Gegensatz zum Schwimmkopf-Konzept erst die richtige Bohrungslage. Es lassen sich dadurch Nachteile durch Fehler in der Winkellage (vor allem bei V- und W-Motoren) vermeiden.
  • PATH sorgt für eine endkonturnahe Bearbeitung, sodass sich die nachfolgenden Operationen leichter durchführen lassen.

Honnaschine und Honwerkzeug optimieren im Zusammenspiel

Eine weitere Zukunftsanforderung betrifft das Reduzieren des unteren Honauslaufs. Beim Bau von V-Motoren lässt sich so Material sparen und die Baugröße verringern. Das freigewordene Material lässt sich dann zur Festigkeitserhöhung der Lagergasse nutzen, was vor allem wegen der steigenden Drehmomente von Vorteil ist.

Innovationen im Werkzeug- und Maschinenbereich sorgen hier für weitere Fortschritte: Dank des neuen mechanischen Hubantriebs und der neuen MSU4-Steuerung der aktuellen VM-Maschinenserie kann der Anwender etwa Honüberläufe halbieren. Für die Lösung spricht außerdem, dass sich Umsteuerbögen, die sonst die Honstruktur überlagern, völlig vermeiden lassen (Bild 3). Dies eröffnet dem Anwender auch neue Perspektiven für die Serienfertigung sogenannter Monoblöcke.

Zweitaktmotoren stellen je nach Konstruktionsprinzip unter Umständen größere Herausforderungen an die Herstellung als ein Viertakter. Gefragt sind etwa

  • geringerer Honüberlauf,
  • große Unterbrechungen der Bohrungen,
  • gratfrei bearbeitete Spülschlitze,
  • geringe Wandstärken.

Klassische Honwerkzeuge bei Herstellung von Zweitaktmotoren oft obsolet

Schon die großen Unterbrechungen machen den Einsatz von klassischen Honwerkzeugen oft obsolet. Die einzeln geführten Honleisten sorgen zwar für eine konzentrische Aufweitung und für eine optimale Rundheit der Bohrung, aber bei großen Unterbrechungen würden sie im Werkstück einhaken. Für diese Einsatzfälle eignen sich daher oft nur die sogenannten Schalenwerkzeuge, bei denen mehrere Leisten oder Beläge gemeinsam auf einem breiten Träger angeordnet sind (Bild 4).

Bereits in den 60er-Jahren gab es erste Entwicklungen für das formoptimierende Honen der Trochoide von Wankelmotoren mit aussteuerbaren Werkzeugen. Es zeigte sich jedoch, dass auch per Fräsen und Schleifen ausreichend gute Formen erreichbar sind.

Das eigentliche Problem dabei ist die Betriebssicherheit der Lauffläche. Das Ergebnis fiel vor allem bei reibungs- und verschleißreduzierenden Beschichtungen nicht zufriedenstellend aus. Für diesen Fall bietet sich das Finishen an. Erste Ergebnisse mit beschichteten Laufflächen zeigten, dass sich Ölverbrauch und Fressneigung verringerten. Dabei beschränkt sich das Verfahren nicht nur auf Trochoide. Um den Ölverbrauch zu senken, können Seitenplatten auch über das Planfinishen bearbeitet werden.

Der Trend zu sehr kompakten, leistungsstarken Motoren stellt auch immer höhere Herausforderungen an die Zylinderkopfdichtungen. Damit sie ihre Funktion auch bei hohen Zünddrücken erfüllen können, wachsen die Ansprüche an die Qualität der Oberfläche und die Ebenheit der Dichtfläche.

Orbitalschleifen hilft gegen Störeffekte

Die üblicherweise mit geometrisch definierter Schneide durchgeführten Bearbeitungsverfahren führen oft zu erhöhtem Abtrag zwischen den Zylinderbohrungen, zur sogenannten Badewannenstruktur, zu Höhenunterschieden bei der Kombination verschiedener Materialien, wie zum Beispiel bei Graugussbuchsen im Aluminiumblock, und zu breiten Bearbeitungsriefen.

Diese Störeffekte verstärken sich mit zunehmendem Werkzeugverschleiß und Abstumpfung. Hier kann das selbstschärfende Orbitalschleifen helfen. Es sorgt über die gesamte Lebensdauer des Schneidenbelags für eine gleichbleibende Qualität und vermeidet auch bei schwer zerspanbaren Werkstoffen diese Probleme. Die feinere Kreuzriefenstruktur verbessert auch die Verbindung zur Dichtung.

Kundenkonforme Wellenbearbeitung durch Superfinishen

Ein weiteres Beispiel betrifft die Außenbearbeitung von Wellen. Anwender fordern, bei rotierenden Teilen alle Möglichkeiten zur Reibungsverminderung auszuschöpfen. Diese Forderung führt bereits verstärkt zum Einsatz des Leistungs- oder Superfinishens wodurch manche vorangehenden Prozessabläufe verkürzt werden oder ganz entfallen können. So werden Durchlaufzeiten und Kosten verringert. Das Superfinishen spielt seine Stärke nicht nur durch verbessertes Reibverhalten aus (Bild 5).

Noch verlangen die Anwender vor allem möglichst feine Oberflächen, doch auch beim Finishen deutet der Trend auf funktionellere und komplexere Oberflächenstrukturen hin. Dazu lohnt ein Vergleich zwischen Innenhonen und Außenfinishen. Beim Innenhonen wird die Aufteilung der Oberfläche in Ölhalteriefen und tragfähige Plateauoberflächen schon seit über zwei Jahrzehnten ausgenutzt um die Hydrodynamik zu verbessern.

Dieser Vorteil lässt sich beim Außenfinishen wegen des fehlenden Überlaufs bei der Einstechbearbeitung nicht so einfach realisieren. Der zunehmende Einsatz von Start-Stopp-Systemen in Kombination mit Hybridantrieben erfordert aber derartige Lösungen bei Kurbel- und Ausgleichswellen. In absehbarer Zeit dürfte daher der Ersatz der einfachen Oberflächenkennwerte Ra und Rz durch Rpk, Rk, Rvk und weitere Parameter anstehen.

Weiterentwicklungen ermöglichen immer neue Optimierungen beim Honen und Finishen

Die stetige Weiterentwicklung im Bereich Honen und Finishen führt zu vielversprechenden Optimierungsansätzen, die es serientauglich zu machen gilt. So tragen verbesserte Werkstoffe mit Honstrukturen etwa zur Reibungsreduzierung bei. Es sind Honverfahren in der Entwicklung, die Bohrungsverzüge ausgleichen können. Aktuelle Weiterentwicklungen an Maschinen und Werkzeugen ermöglichen die Verwirklichung konstruktiver Lösungen für den Leichtbau und alternativer Motorkonzepte.

Ein großer Pool an Erfahrungen, auch außerhalb der Automobilindustrie, dient zur Erfüllung der steigenden Anforderungen an Verschleißfestigkeit, Belastbarkeit und Laufruhe. Deshalb ist es unerlässlich, auch die Endbearbeiter rechtzeitig in die Motorenentwicklung einzubinden, weil Fertigungsverfahren wie Honen und Finishen das qualitätsbestimmende Merkmal der Prozesskette darstellen.

* Dipl.-Min. Josef Schmid ist Leiter Forschung & Entwicklung bei der Nagel Maschinen- und Werkzeugfabrik GmbH. Weitere Daten: Josef Schmid, Oberboihinger Str. 60, 72622 Nürtingen, Tel. (0 70 22) 6 05-0, j.schmid@nagel.com, www.nagel.com

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