Das Honen – zerspanendes Fertigungsverfahren für feinste Oberflächen

Beim Honen (aus dem Englischen für „to hone“ = wetzen bzw. abziehen eines Gegenstandes) handelt es sich um ein zerspanendes Feinbearbeitungsverfahren, das für fast alle Werkstoffe zur Anwendung kommen kann. In der Produktion stellt das Honen den letzten Fertigungsprozess dar. Ziele sind eine Verbesserung der Form- und Maßgenauigkeit zu erreichen sowie mit dieser speziellen Oberflächenbehandlung die „tribologischen Eigenschaften“ des Werkstücks zu optimieren. Der Tribologie (Reibungslehre), die sich mit der wissenschaftlichen Beschreibung von Reibung, Reibungskoeffizienten, Verschleiß und der nötigen Schmierung befasst, kommt im Hinblick auf Einsatzbereiche wie Automotive höchste Bedeutung zu. So ist es nur logische Konsequenz, dass das Zylinder Honen ein Paradebeispiel für die Oberflächenbehandlung bei Kolbenlaufflächen an Zylindern von Verbrennungsmotoren sowie hydraulischen Bauelementen ist.

Zylinder Honen – wenn hochwertige Oberflächen gefragt sind

Der Umstand, dass das Honen im Volksmund auch als „Ziehschleifen“ bezeichnet wird, weist auf die enge Verwandtschaft mit dem Schleifen hin. Das Honen liefert aber eine wesentlich höhere Oberflächengüte und kommt immer dann zum Einsatz, wenn beste Oberflächen und hochgenaue Geometrie gefordert sind – wie beim Zylinder Honen an Zylinderlaufbahnen von Verbrennungsmotoren. Wenn schon ein Vergleich mit dem Schleifen gezogen wird, sollte eher vom „Kreuzschleifen“ die Rede sein. Denn dies weist auf eine ganz spezifische Eigenschaft am Beispiel Zylinder Honen hin.

Dabei wird die sogenannte Honahle, an deren Ende sich die Honleisten mit dem jeweiligen Schleifmittel befinden, in das Werkstück eingeführt. Dort rotiert das Werkzeug und bewegt sich gleichzeitig auf und ab (Oszillation). Die überlagerte Schnittbewegung in Kombination mit ständig flächenhafter Berührung von Werkzeug und Werkstück lässt alsbald einen für das Honen charakteristischen Kreuzschliff erkennen. Dieses „Kreuzschleifen“ zeichnet unter anderem dafür verantwortlich, dass die Gleiteigenschaften des Werkstücks verbessert werden. Denn in den kleinen „Furchen“ der Oberfläche kann sich Öl ansammeln – unbedingte Voraussetzung für einen leichtgängigen Kolben. Öle spielen auch beim Honen selbst eine entscheidende Rolle. Damit sich beim Arbeitsvorgang Kreuzschleifen die Honleisten nicht mit Schleifschlamm zusetzen können, wird beim Honen ausgiebig mit den sogenannten Honölen gespült.

Honen im Vergleich – verschiedene Einsatzmöglichkeiten beim Honen

Überall dort, wo es gilt, bei Funktionen wie Führen, Gleiten oder Dichten von aufeinander bewegten Oberflächen in Bohrungen für eine Verbesserung der Eigenschaften zu sorgen, führt so gut wie kein Weg am Honen vorbei. Wenn es um höchste Maß-, Form- und Oberflächengenauigkeiten geht, stehen in der Hontechnologie jedoch verschiedene Möglichkeiten der Anwendung zur Verfügung.

Das Langhubhonen

Im Wesentlichen sind es mit dem Langhubhonen und Kurzhubhonen zwei Fertigungsverfahren, die zu den Grundformen beim Honen zählen. Wobei das Langhubhonen gebräuchlicher ist und etwas ausführlicher behandelt werden soll.

Typischerweise erstreckt sich beim Langhubhonen die oszillierende Bewegung des Honwerkzeugs über die gesamte Länge des zu bearbeitenden Werkstücks. Dadurch, dass sich das Honwerkzeug sowohl in der Längsachse als auch drehend im Werkstück bewegt, entsteht der für das Honen charakteristische Kreuzschliff (auch Kreuzstrich). Beim Kreuzschleifen bilden sich kleine Furchen an der Oberfläche, in denen sich Öl sammeln und den Schmiereffekt auslösen kann. Im Allgemeinen wird das Langhubverfahren bei Innenflächen von Bohrungen und Rohren eingesetzt. Dabei wird die Honahle, bestehend aus einem Metallkern, der mit prismatisch geformten Honsteinen besetzt ist, in das Werkstück eingeführt. Die Außenkonturen der Honahle entsprechen der Werkstückgeometrie. Zum Ausgleich des Werkzeugverschleißes stehen zur Befestigung der Honsteine mehrere Möglichkeiten zur Verfügung: federnd befestigt oder mechanisch sowie hydraulisch oder pneumatisch verstellbar. Während sich mit den Varianten federnd/pneumatisch lediglich die Oberflächengüte verbessern lässt, sind fest einstellbare und hydraulisch verstellbare Hornsteine in der Lage Formabweichungen zu verringern – zum Beispiel im Hinblick auf die Zylindrizität und Rundheit. Beim Honen lassen sich Maß-, Form- und Oberflächentoleranzen von unter 1 µm erzielen.
Typische Merkmale des Honverfahrens sind:

  • Überlagerung von Oszillation, Rotation und Werkzeugzustellung
  • aus der geometrischen Bewegungslehre (Kinematik) resultierender Kreuzschliff
  • Flächenberührung der Schleifmittel mit der Mantelfläche der Bohrung
  • Ausrichtung von Werkzeug und Bohrung sind gleichachsig

Das Kurzhubhonen

Im Gegensatz zum Langhubhonen kommt es beim Kurzhubhonen zu einem Sinusschliff, da sich der Umkehrpunkt der Honahle innerhalb des Werkstücks befindet. Das Kurzhubhonen, das in der Regel beim Außenhonen zum Einsatz kommt, wird auch Microfinish oder Superfinish genannt. Während beim Langhubhonen beide Bewegungen (Rotation und Oszillation) über das Werkzeug ausgeführt werden, besteht die Besonderheit beim Kurzhubhonen in der Möglichkeit, die beiden Bewegungsabläufe zu trennen (Werkstück rotiert, Werkzeug oszilliert).

Das Flachhonen

Beim Flachhonen handelt es sich um ein noch relativ junges Verfahren in der industriellen Fertigung. Dabei ersetzt das Flachhonen immer mehr das traditionelle Läppen. Wo früher das Läppen zum Einsatz kam, überzeugt heute das Flachhonen mit seinen vorteilhaften Eigenschaften. Wie beim Honen erhält die Oberfläche den typischen Kreuzschliff und erhält dadurch die guten tribologischen Eigenschaften und feinste Rauheiten. Die nur geringe Oberflächenschädigung wirkt sich auch auf nachfolgende Produktionsschritte wie das Polieren aus. Der wesentliche Unterschied zwischen Flachhonen und Läppen besteht darin, dass beim Honen die Schleifmittel fest mit dem Werkzeug verbunden sind – beim Läppen hingegen erfolgt der Schleifvorgang mittels einer speziellen Flüssigkeit, dem Läppöl. In diesem Läppöl befinden sich kleinste Schleifmittel, die einen geringen Abrieb an der Oberfläche des Werkstücks verursachen. Das Honen dient neben der Verbesserung der Oberfläche durch Kreuzschleifen dazu, auf das erforderliche Maß hinzuarbeiten – während das Läppen lediglich dazu dient, eine möglichst glatte Oberfläche zu erzielen.

Beim Flachhonen erfolgt das Abtragen mit geometrisch unbestimmten Schneiden durch gebundenes Schleifkorn, das auf Honscheiben zusammengefasst ist. Die Werkstücke lagern in außen verzahnten Kunststoff- oder Stahlläuferscheiben und werden von zwei Stiftkränzen bewegt. Die Kontaktzone bzw. Abtragzone zwischen Werkstück und Scheibe ist vollflächig. Durch die spannungsfreie Aufnahme in Läuferscheiben lässt sich quasi jedes feste Material bearbeiten. Das Anwendungsspektrum reicht von thermoplastischem Kunststoff (weich) bis zu Keramik und Saphir (sehr hart). Zu den bekanntesten Anwendungsfällen zählen beim Flachhonen Keramik-Wassermischer, Wendeplatten und Hydraulikpumpen.

Das Honen mittels Laser

Beim Honen mittels Laser handelt es sich um ein relativ neues Verfahren, das nicht dem Zerspanen, sondern dem „thermischen Abtragen“ zugeordnet werden muss. Beim Honen durch einen Laserstrahl schmilzt dieser die metallische Oberfläche auf, der Laser verdampft die Oberfläche in Teilen und erzeugt so die feinen „Furchen“ in denen das Öl für den Schmiereffekt sorgt. Ein Vorteil beim Honen mittels Laser besteht darin, dass es durch den thermischen Schmelzprozess zu harten Kanten kommt, die sich als sehr verschleißfest erweisen. Es entsteht im Vergleich mit anderen Verfahren eine Lebensdauerverlängerung von ca. 75 Prozent. Als mögliches Anwendungsgebiet käme im Besonderen das Zylinder Honen in Betracht.

Die Werkzeuge beim Honen im Detail

Es sind im Wesentlichen drei Komponenten, die für den Honvorgang optimal aufeinander abgestimmt sein müssen: Die Honleisten, die Honahle und je Anforderung die entsprechende Werkzeugmaschine. Für Letztere spielt es eine entscheidende Rolle, welche Dimensionen die Werkstücke besitzen und ob es sich um Einzel- oder Serienfertigung handelt.

Honleisten

Nach DIN 69186 handelt es sich bei den Honleisten um ein Verbundsystem aus Korn- und Bindungsstoffen. Honleisten dienen der Spanabnahme und können mit Siliziumkarbit oder Korund ebenso bestückt sein wie mit einem Belag aus Bornitrid oder Diamant. Eine Profilbearbeitung ist bei normalen Hartstoffkörpern wie Siliziumkarbit oder Korund im Allgemeinen nicht erforderlich, da sich mit diesen Materialien bestückte Honleisten während des Einsatzes schnell der Form des zu bearbeitenden Werkstücks anpassen. Indem der Anpressdruck oder die Geschwindigkeit der Oszillation erhöht wird, lässt sich eine Nachschärfung erzielen. Als Anwendungsbereich für konventionelle Schneidstoffe gilt das Zylinder Honen bei den Kolbenlaufbahnen der Verbrennungsmotoren – da sich bereits bei geringem Honleistenanpressdruck die Schneidstoffe effektiv einsetzen lassen.
Im Gegensatz dazu müssen Honleisten mit Belag aus Bornitrid oder Diamant vor dem Honen der Form des jeweiligen Werkstücks angepasst werden. Dieses zeitliche Manko macht aber eine Vielzahl von Vorteilen wett. So lässt sich mit Honleisten aus Bornitrid und Diamant eine sehr gute Wirtschaftlichkeit erkennen mit hohen Standzeiten, einer optimalen Formhaltigkeit und gerade auch bei kleinen Bohrungen eine hohe Form-, Maß- und Oberflächengenauigkeit.

Das Honwerkzeug (Honahle)

So gut wie alle Honahlen sind an ihrem rohrförmigen Werkzeugkörper zu erkennen. Am Werkzeugkörper wird die Umlenkung der axialen Zustellbewegung in eine radiale mittels eines verschiebbaren Zustellkonus betrieben. Für das Bearbeiten der Werkstücke stehen unterschiedliche Honahlen zur Verfügung:

  • Ein-Leisten-Honahlen: zumeist bei der Bearbeitung von hochgenauen Kleinteilen
  • Mehr-Leisten-Honahlen: diverse Einsatzmöglichkeiten in unterschiedlichsten Ausführungen; dank hohem Schneidaufnahmevolumen und vorteilhafter Honparameter lassen sich hier die größten Zerspanungsleistungen erzielen.
  • Schafthonwerkzeuge: sind während des Bearbeitungsprozesses aufweitbar; bestehen aus geschlitztem Werkzeugkörper, der durch Zustellkonusverschiebung aufgeweitet werden kann; Einsatzgebiete bei Durchmessern von 2,5 mm – ca. 30 mm.
  • Dornhonwerkzeuge: vor der Bearbeitung eingestellt; Durchmesser der Schneidbelagsfläche ausgelegt auf Maß der zu bearbeitenden Bohrung. Honvorgang im Doppelhub (Abwärtshub für Materialabtrag, Aufwärtshub zum Glätten der Oberfläche)
  • Das Schalenwerkzeug: mehrere Honleisten fest auf Halbschalen aufgebracht; vollflächiges Werkzeug daher geeignet für Bohrungen mit größeren Unterbrechungen

Werkzeugmaschinen fürs Honen

Ähnlich wie beim Fräsen wird auf einer Honmaschine ein Werkzeug in die zu bearbeitende Bohrung eingeführt – wo es sowohl rotierend wie auch oszillierend hin und her bewegt wird. Zwar sind Honarbeiten im Prinzip auch auf gewöhnlichen Vertikal-Bohrmaschinen und Drehmaschinen möglich, doch für die Serienfertigung werden spezielle Honmaschinen mit senkrechter bzw. waagrechter Spindel eingesetzt. Entscheidend für die Güte und wesentliches Merkmal des Honens ist die Prozesskinematik – die Hub-, Dreh- und Zustellbewegung des Werkzeugs. Dadurch kommt es zu dem verfahrenstypischen Honwinkel.
Praxistipp Zylinder Honen: Beim Zylinder Honen sollte der Honwinkel zwischen 40 und 80 Grad betragen. Zunächst Zylinderbohrung mit montierten Hauptlagerdeckeln feinbohren. Dabei eine Honzugabe beachten (ca. 0,08 mm bezogen auf Durchmesser). Nach dem Honen sollte die Zylinderbohrung mindestens 20 Prozent offene Grafitadern aufweisen. Damit der Ölfilm auf der Zylinderoberfläche gut haftet, die Rauheit messen (Gerätemesswerte und Diagrammauswertung) sowie den Schleifschlamm fortwährend mit Honölen ausspülen.

Für die primäre Bearbeitung wie das Zylinder Honen bei Motorblöcken bieten renommierte Hersteller von Honmaschinen sowohl Lösungen für die modulare Einzelmaschine als auch für verkettete Produktionslinien oder Transferanlagen an. Andere Baureihen legen den Fokus auf Werkstattfertigung und Erstmusterbau, bei denen höchste Anforderungen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Flexibilität und Bedienkomfort erfüllt sein müssen. Auch Kombi-Präzisions-Werkzeugmaschinen, auf denen sich Prozesse wie Finishen, Schleifen und Honen in einer Aufspannung erledigen lassen, sowie Honmaschinen für speziell lange Werkstücke mit großem Durchmesser (für Innen- und Außenhonbearbeitung) sind auf dem Markt zu finden.

Besonderheiten

Wie oben bereits erwähnt, kommen bei der Endbearbeitung der Werkstücke häufig flexibel arrangierte Honsteine zur Anwendung. Eine Variante für den flexiblen Anpressdruck besteht in der Verwendung von Nylonborsten. Sind beispielsweise beim Zylinder Honen die Schleifmittelkugeln auf diesen Nylonborsten angeordnet, können sie in Nuten, Querbohrungen oder Abstufungen leichter eindringen. Beim Zylinderhonen werden glattgelaufene Zylinderoberflächen wieder aufgeraut, sodass der Ölfilm den Schmiereffekt auslösen kann. Feingebohrte Oberflächen werden veredelt, da die Bearbeitungsspitzen abgetragen werden und beispielsweise Kolbenringe auf einer größeren Fläche tragen. Weitere Vorteile bestehen in der Anpassung an konische, gestufte oder ovale Bohrungen.

Bei starren Honahlen kann es zum Problem der Blechmantelbildung kommen, wenn durch den Anpressdruck Material nicht abgetragen, sondern lediglich verschoben wird. Die Oberfläche erscheint dann lediglich sehr glatt, wo in Wirklichkeit aber nur verschobene Materialschichten oder umgebogene Spitzen (siehe Bearbeitungsspitzen) vorherrschen. Unter mechanischer Belastung können sich Partikel ablösen und zu erhöhtem Verschleiß bzw. Beschädigung beim Zylinder führen. Flexibles Honen ist in der Lage, solche Flächen zu sanieren und Blechmäntel abzutragen.

Als Hauptanwendungsgebiete für flexibles Honen sind das Entgraten und die Oberflächenverbesserung zu nennen. Ein „Plateau-Finish“ ist im Besonderen da wichtig, wo es bei mechanischen Bewegungen zu einer Beanspruchung der Flächen kommt. Das können Manschetten in Hydraulikzylindern ebenso sein wie Kolbenringe in Motorenzylindern. Gerade bei Kraftfahrzeugmotoren, bei denen sich ein hoher Ölverbrauch zeigt, kann dieser Umstand an einem glattgelaufenen Zylinder liegen. Nach einem flexiblen Honen mit Kreuzschliff zeigt sich in den meisten Fällen Besserung. Ein Nachteil beim flexiblen Honen mittels Nylonborsten liegt darin begründet, dass die Schleifmittel nicht zu weit in eine eventuelle Querbohrung eindringen dürfen – da die Schleifkugeln sonst abreißen können und/oder die Nylonborsten an der Zylinderwand schleifen.