Experimentelle und simulationsgestützte Grundlagenuntersuchung zur Oberflächenstrukturierung durch das Kurz- und Langhubhonen

Das Honen ist ein Endbearbeitungsverfahren, mit dem tribologisch günstige Oberflächeneigenschaften erzeugt werden. Die Oberfläche gehonter Werkstücke zeichnet sich durch ein plateauartiges Oberflächenprofil und eine gekreuzte Riefenstruktur aus. Die gekreuzte Riefenstruktur ergibt sich dabei aus der Bearbeitungskinematik, bei der eine der beiden Vorschubbewegungen oszillierend erfolgt. Abhängig von der Hublänge der oszillierenden Bewegung können dabei das Lang- und das Kurzhubhonen unterschieden werden. Das Langhubhonen wird überwiegend zur Bearbeitung von Bohrungen, wie z.B. Motorzylindern, angewendet. Dahingegen findet das Kurzhubhonen, auch Mikrofinishen genannt, Anwendung bei der Außenrundbearbeitung. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Eigenschaften hoch belasteter Oberflächen, wie z. B. in Verbrennungsmotoren, stellt die gezielte Oberflächenstrukturierung und somit Einstellung der Oberflächeneigenschaften einen entscheidenden Optimierungsansatz dar.

Im Rahmen eines Forschungsprojektes, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird, soll das Prozessverständnis des Honens durch experimentelle und simulative Untersuchungen gesteigert werden. Das Ziel der Untersuchungen ist dabei, den Zusammenhang zwischen den Einstellgrößen, wie z. B. Zustellkraft, Geschwindigkeit oder Bearbeitungsdauer und der erzielten Oberflächenstruktur, zu erarbeiten. Bislang erfordert die gezielte Einstellung einer Oberflächenstruktur umfangreiche praktische Versuche.

Die Langhubhonversuche werden auf einer Kombinationsbearbeitungsmaschine mit einem feststehenden Honwerkzeug durchgeführt. Das Kurzhubhonen erfolgt mit einem Mikrofinishanbaugerät auf einer konventionellen Drehbank. Unter Zuhilfenahme der „Methoden der statistischen Versuchsplanung (SVP)“ werden die experimentellen Untersuchungen geplant und ausgewertet. Aus den Messergebnissen wird hierbei eine Regressionsfunktion bestimmt, die im gesamten untersuchten Parameterraum Gültigkeit besitzt. Hierdurch ist es möglich, die Wirkzusammenhänge der Einflussgrößen auf die Oberflächenstruktur deutlich zu machen. Gleichzeitig kann der Versuchsaufwand bei größerem Erkenntnisgewinn reduziert werden.

Die Modellnachbildung des Honprozesses erfolgt auf Grundlage einer kinematisch-geometrischen Simulation. Hierbei wird die digitalisierte Oberfläche einer Honleiste mit einer geschliffenen und ebenfalls digitalisierten Werkstückoberfläche übereinander geführt bzw. „verschnitten“. Der Werkstoffabtrag erfolgt durch das kontinuierliche Berechnen der Schnittmenge zwischen den beiden Oberflächen, wobei die Honleiste entsprechend der Prozesskinematik bewegt wird. Als Eingangsinformation und zur Verifikation der Honprozesssimulation dienen die Erkenntnisse der experimentellen Arbeiten. Durch die Modellierung des Honprozesses wird die Möglichkeit geschaffen, im Vorfeld praktischer Versuche eine simulative Nachbildung der Prozesse durchführen und damit die erzielbaren Oberflächenstrukturierungen prognostizieren zu können.

In der Abbildung ind exemplarisch mit der Weißlichtmikroskopie vermessene und simulierte Oberflächen gegenübergestellt. Es ist zu erkennen, dass die Topographien qualitativ, aber auch mit Blick auf die Rauheit sehr ähnlich sind, so dass von einer guten Vorhersagequalität ausgegangen werden kann.

Abb.: Gegenüberstellung der erzeugten Werkstücktopographien

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