DE10111569B4

DE10111569B4 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von beschichteten Bohrungen

Info

Publication number: DE10111569B4
Application number: DE10111569A
Authority: DE
Inventors: Günter DANNEMANN; Helmut Dipl.-Ing. Schäfer (FH); Walter Dipl.-Ing. Zwink
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-03-10
Filing date: 2001-03-10
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2021-03-11
Also published as: WO2002072907A1; EP1370706A1; US20040129214A1; JP2004531401A; DE10111569A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von beschichteten Bohrungen, wobei nach Ausbildung der Bohrung die Bohrungswandung mit einem Beschichtungsmaterial plasmagespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungswandung als Schichtträger vor oder nach der Beschichtung einer Rolldrückbearbeitung unterzogen wird, wobei Unebenheiten der Bohrungswandung eingeebnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Bohrungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Einrichtung zur Durchführung desselben nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.
Bei herkömmlichen Verfahren und Einrichtungen zur Beschichtung von Bohrungen, deren Wandungen dazu plasmagespritzt werden, um diese verschleißfest zu machen und gleichzeitig mit hoher Gleitfähigkeit auszustatten, tritt beim praktischen Einsatz der Schicht im Kontakt mit einem Tribologiepartner aufgrund zu geringer Haftfestigkeit infolge von Schichtungleichmäßigkeiten eine frühe Überbelastung der Schicht auf, welche hierbei abplatzt oder Rißbildung zeigt. Dies kann zu einem völligen Versagen der betreffenden zusammenwirkenden Funktionsbauteile führen.

In der DE 198 47 608 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche als Zylinderlauffläche einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem das Grundmaterial der Oberfläche mittels thermischen Spritzens beschichtet wird und wonach die Beschichtung durch Walzen verdichtet wird. Herdurch wird die Verschleißfestigkeit bedeutsam erhöht.

Des Weiteren ist aus der WO 87/05947 A2 ebenfalls ein Verfahren zum Verdichten einer Beschichtung mit Walzen bekannt, womit die Porosität der Beschichtung erheblich reduziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Einrichtung dahingehend weiterzubilden, daß in relativ einfacher Weise eine ausreichende Haltbarkeit der Beschichtung der Bohrungswandung gegenüber mechanischen Belastungen erreicht werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 hinsichtlich des Verfahrens und durch die Merkmale des Patentanspruches 5 hinsichtlich der Einrichtung gelöst.

Aufgrund der Bearbeitung der Bohrungswandung als Schichtträger mittels Rolldrücken vor oder nach der Beschichtung werden auch geringe – nicht zur Rauhigkeit des Bohrungswandungsmaterials zählende – Unebenheiten der Wandung nivelliert, wodurch sich der Beschichtungswerkstoff wesentlich besser und homogener in der Oberfläche der Wandung verkrallen kann, so daß die Haftfestigkeit der Schicht erheblich erhöht wird, was zu einer gesteigerten Haltbarkeit der Beschichtung gegenüber mechanischen Belastungen führt. Einen weiteren Beitrag zur Haltbarkeit leistet die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke. Durch diese werden zum einen schädliche Scherspannungen, die durch den Zug oder Druck des Reibungspartners an der Schicht an Einfallstellen – also Stellen mit verminderter Schichtdicke – verursacht werden, verhindert. Zum anderen wird dadurch vermieden, daß durch den Kontakt des Reibungspartners mit in den lichten Querschnitt der Bohrung einstehenden übermäßigen Schichtmaterialansammlungen und damit unzulässig hohen punktuellen mechanischen Beanspruchungen an diesen Stellen Schichtabschnitte herausgelöst werden. Die Bearbeitung erfolgt rotierend mit gleichzeitigem Axialhub des Werkzeuges längs der zu glättenden Bohrung.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die erfindungsgemäße Einrichtung anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert; dabei zeigt:

1 einen Bearbeitungskopf einer erfindungsgemäßen Rolldrückvorrichtung mit Kugeln als Wälzkörper in einer perspektivischen Darstellung,

2 einen Ausschnitt des Bearbeitungskopfes nach 1 in einem seitlichen Längsschnitt,

3 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes mit Walzen als Wälzkörper in einer Draufsicht,

4 einen Bearbeitungskopf einer erfindungsgemäßen Rolldrückvorrichtung mit Rollierwalzen als Wälzkörper in einer perspektivischen Darstellung.

Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus einem in den Ausführungsbeispielen nicht gezeigten Werkzeug zur Ausbildung einer Bohrung, beispielsweise eine Gießvorrichtung, ein Fräser oder eine Drehvorrichtung, und einer Plasmaspritzvorrichtung üblicher Bauart. Des weiteren beinhaltet die Einrichtung ein Rolldrückwerkzeug, das sich aus einer motorisch betriebenen Bearbeitungsspindel und einem an dieser endseitig befestigten Bearbeitungskopf 1 zusammensetzt, wie in 1 dargestellt ist.

Der Bearbeitungskopf 1 ist als zylindrischer in seinen Abmessungen an die zu bearbeitende Bohrung angepaßter Käfig ausgebildet, der an seinem Umfang eine Vielzahl von in radialer Richtung des Käfigs offenen Hohlräumen 2 (2) aufweist. In den Hohlräumen 2 sind Wälzkörper in Form von Kugeln 3 freischwimmend aufgenommen, die radial ausstellbar sind und deren Wölbung der der Bohrungswandung angepaßt ist. Die Kugeln 3 werden hier über ein mit den Hohlräumen 2 verbundenes Leitungssystem fluidisch beaufschlagt, wenn der Bearbeitungskopf 1 im Einsatzfall in die Bohrung eingesenkt wird. Dabei werden die Kugeln 3 gemäß der Pfeilrichtung hydraulisch angeschwemmt und damit zur Bearbeitung in Gebrauchsstellung ausgestellt. Hierzu sind die Hohlräume 2 derart ausgebildet, daß die Kugeln 3 die Öffnungen 4 der Hohlräume 2 nach außen hin mit jeweils einem sphärischen Abschnitt 5 durchdringen können. In Gebrauchsstellung werden die Kugeln 3 an der die Öffnungen 4 umgebenden Hohlraumwandung 6 angepreßt und zwar so, daß sich die Kugeln 3 – geschmiert durch die Hydraulikflüssigkeit – noch ungehindert in jede Richtung drehen können. Die Bohrungswandung ist damit nun durch das Rolldrückwerkzeug mechanisch beaufschlagbar. Die Bearbeitung der Bohrungswandung mit dem mit den Kugeln 3 ausgestatteten Bearbeitungskopf 1 ist verfahrensökonomisch und apparativ geringaufwendig. Die Verwendung von Kugeln 3 erbringt den Vorteil, daß die spezifischen auf die Bohrungswandung wirkenden Umformkräfte lokal relativ hoch sind, jedoch auf die Belastung der Gesamtfläche gesehen wiederum gering. Damit wird eine effektive Bearbeitung der Bohrungswandung ermöglicht ohne daß dies an dieser zu einer Rißbildung führt. Vorteilhaft ist es, die Kugeln 3 aus Keramik, beispielsweise aus SiN auszubilden, da dieser Werkstoff sich durch eine hohe Härte, eine hohe Verschleißfestigkeit und eine geringe adhäsive Neigung zum metallischen gegebenenfalls aus Aluminium bestehenden Wandungsmaterial auszeichnet. Die Kugeln 3, die einen einheitlichen Durchmesser von 5mm bis 20 mm besitzen, sind am Bearbeitungskopf 1 in mehreren nebeneinanderliegenden in Umfangsrichtung des Bearbeitungskopfes 1 verlaufenden Reihen 7 angeordnet sind, wobei die Reihen 7 zueinander versetzt sind. Hierbei werden Resonanzschwingungen bei der Bearbeitung der Bohrungswandung durch gegenseitige Auslöschung der Eigenschwingungen der einzelnen Kugeln 3 vermieden, die zu Schäden am Werkzeug und zu Beschädigungen der Bohrungswandung führen würden. Alternativ zu den Kugeln 3 können auch als Wälzkörper eine Vielzahl von kurzen tonnenförmigen Walzen 8 zum Einsatz kommen, deren Längsachsen 9 parallel zur Längsachse 10 der Bearbeitungsspindel liegen (3) und die auf dem Umfang des Bearbeitungskopfes 1 versetzt angeordnet sind. Des weiteren sind als Wälzkörper gemäß 4 auch längliche Rollierwalzen 11 denkbar, die sich jeweils über die Längserstreckung des Bearbeitungskopfes 1 hinweg erstrecken und so an diesem gehalten sind, daß sie die Mantelfläche 12 des Kopfes 1 mit einem Umfangsabschnitt durchragen. Die Ausstellbarkeit der Wälzkörper, die – wie oben beschrieben – fluidisch erfolgt, kann auch mechanisch mittels eines Spreizkegeldorns bewerkstelligt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Bearbeitungsspindel des Rolldrückwerkzeuges von der einer Honmaschine gebildet. Damit kann durch einfaches Austauschen des Bearbeitungskopfes 1 für den Honstein im jeweilig anstehenden Bedarfsfall ein Werkzeug eingespart werden. Dazu kommt in günstiger Weise, daß man sich mit der Honmaschine einer bekannten Technik bedient, deren Parameter wie Drehgeschwindigkeit, Hubgeschwindigkeit und die hydraulisch-elektrische Zustellung der Wälzkörper sicher beherrschbar sind.

Im Falle der Verwendung der Bohrungswandung als Zylinderlauffläche einer Brennkraftmaschine aus Aluminium-Druckguß ergeben sich Poren in diesem Wandungswerkstoff mit einer Tiefe bis 0,3mm, vereinzelt sogar bis 1,2mm, die bei der Beschichtung mittels Plasmaspritzen zum einen zu einer – über die Zylinderlauffläche gesehen – ungleichmäßigen Schichtdicke führen. Zum anderen wird durch die Poren die Haftfestigkeit der Schicht verringert. Daher bietet es sich in vorteilhafter Weise an, im gegebenen Anwendungsfall die Rolldrückbearbeitung vor dem Plasmaspritzen erfolgen zu lassen, da dadurch vorab die Poren durch die mit Anpreßdruck die Bohrungswandung beaufschlagenden Wälzkörper quasi zugeknetet werden und somit die Zylinderlauffläche eine erheblich größere Ebenheit erhält. Damit vergrößert sich gleichmaßen die Haftfestigkeit der Schicht an der Bohrungswandung als auch die Gleitfähigkeit der Zylinderlauffläche für den Kolbenring des Zylinderkolbens. Des weiteren kann die Schicht völlig homogen in ihrer Dicke aufgetragen werden, was die Gleitfähigkeitseigenschaften erheblich positiv beeinflußt. Zur Vergleichmäßigung der Schichtdicke ist das Rolldrücken auch nach dem Plasmaspritzen möglich. Da die Poren ein Ölrückhaltevolumen für Motoröl bilden, wird durch das Schließen der Poren mittels des Rolldrückens der Ölverbrauch im Motorbetrieb und damit die Schadstoffemission bei der Verbrennung im Zylinder wesentlich reduziert. Zur Schmierung des Zylinderkolbens bleibt immer noch genügend Öl im Rauhigkeitsprofil der Zylinderlauffläche übrig. Weiterhin wird durch das Rolldrücken eine Oberflächenverfestigung erreicht, was die Festigkeit des Leichtmetalldruckgusses, der wie erwähnt aus Aluminium oder aus Magnesium bestehen kann, und damit der Zylinderlaufbahn steigert.

Im Verwendungsfall der Bohrungswandung als Lagerfläche eines Lagerstuhls einer Kurbelwelle oder als Innenfläche eines Pleuelauges einer Brennkraftmaschine ist es zweckmäßig, nach dem Plasmaspritzen die Rolldrückbearbeitung zu beginnen. Hierbei wird die aufgetragene Schicht, die beim Gleitlager etwa eine Dicke von 200μm aufweist, vergleichmäßigt, was die Gleitfähigkeitseigenschaften der Bohrungswandung verbessert, und gleich zeitig durch die Anpressung der Schicht an die Bohrungswandung durch das Einwirken der Wälzkörper in Anlehnung an das Walzplattieren zur Steigerung der Haftfestigkeit die Verbindung der Schicht mit der Bohrungswandung verstärkt. Durch die Aufbringung einer in dieser Weise präzisionsumgeformten Schicht können in bauteilsparender und fertigungstoleranzoptimierter Weise die Lagerschalen ersetzt werden.

Beim Rolldrücken kann für alle Anwendungsbereiche in die Rolldrückvorrichtung eine von der Einrichtung umfaßte Meßvorrichtung, die beispielsweise akustisch, optisch oder taktil arbeitet, integiert werden, welche im Herstellungsprozeß der Bohrung den Durchmesser der Bohrung schrittweise oder kontinuierlich mißt und bei Erreichen des vorgegebenen Solldurchmessers veranlaßt, daß das Rolldrückwerkzeug funktionslos bzw. abgeschaltet wird. Hierbei wirkt eine Signalverarbeitung der Einrichtung, die ein von der Meßvorrichtung abgegebenes Steuersignal erfaßt und einer Steuerung des Rolldrückwerkzeuges zur Beendigung des Rolldrückvorganges zuführt.

Durch die Variierbarkeit der Schichtdicke im μ-Bereich durch das Rolldrücken kann die bisherige Vielfalt an Pleuelgrundkörpern und damit an Pleuelklassen entscheidend minimiert werden, da Lagerpaarungen entfallen, die unterschiedlichste μm-Abstimmungen mit der Kurbelwelle aufweisen müssen. Grundsätzlich sind auch noch andere Anwendungsbereiche für das erfindungsgemäße Verfahren und Einrichtung denkbar, wie beispielsweise bei Getriebewellen und Zahnrädern im Achsgetriebe.

Claims

Verfahren zur Herstellung von beschichteten Bohrungen, wobei nach Ausbildung der Bohrung die Bohrungswandung mit einem Beschichtungsmaterial plasmagespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungswandung als Schichtträger vor oder nach der Beschichtung einer Rolldrückbearbeitung unterzogen wird, wobei Unebenheiten der Bohrungswandung eingeebnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bohrungswandung eine Zylinderlauffläche einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bohrungswandung die Lagerfläche eines Lagerstuhls einer Kurbelwelle oder die Innenfläche eines Pleuelauges einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Rolldrückbearbeitung schrittweise oder kontinuierlich der Durchmesser der Bohrung gemessen wird und daß bei Erreichen eines vorgegebenen Solldurchmessers von der Meßeinrichtung ein Steuersignal ausgegeben wird, das die Rolldrückbearbeitung beendet.
Einrichtung zur Herstellung von beschichteten Bohrungen mit einem Werkzeug zur Ausbildung der Bohrung, mit einer Plas maspritzvorrichtung zur Bildung der Beschichtung und mit einem Rolldrückwerkzeug beinhaltet, mittels dessen die Bohrungswandung beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rolldrückwerkzeug sich aus einer motorisch betriebenen Bearbeitungsspindel und einem an dieser endseitig befestigten Bearbeitungskopf (1) zusammensetzt.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf (1) radial ausstellbare Wälzkörper trägt, deren Wölbung der der Bohrungswandung angepaßt ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper hydraulisch ausstellbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper mittels eines Spreizkegeldorns ausstellbar sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper aus einer Vielzahl von kurzen tonnenförmigen Walzen (8) bestehen, deren Längsachsen (9) parallel zur Längsachse (10) der Bearbeitungsspindel liegen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper Kugeln (3) sind, die am Bearbeitungskopf (1) frei schwimmend gehalten sind.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (3) in radial offenen Hohlräumen (2) eines zylindrischen Käfigs gehalten sind, der den Bearbeitungskopf (1) bildet, wobei die Öffnungen (4) der Hohlräume (2) von jeweils einem sphärischen Abschnitt (5) der Kugel (3) durchdringbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper aus Keramik bestehen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper am Bearbeitungskopf (1) in mehreren nebeneinanderliegenden in Umfangsrichtung des Bearbeitungskopfes (1) verlaufenden Reihen (7) angeordnet sind, wobei die Reihen (7) zueinander versetzt sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper längliche Rollierwalzen (11) sind, die sich jeweils über die Längserstreckung des Bearbeitungskopfes (1) hinweg erstrecken.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf (1) des Rolldrückwerkzeuges an der Bearbeitungsspindel einer Honmaschine anstelle eines Honsteines angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine signalabgebende Meßvorrichtung beinhaltet, mittels der taktil oder optisch der Bohrungsdurchmesser erfaßbar ist, und eine Signalverarbeitung umfaßt, die ein bei Erreichen eines vorgegebenen Bohrungsdurchmessers von der Meßvorrichtung abgegebenes Steuersignal erfaßt und einer Steuerung des Rolldrückwerkzeuges zur Beendigung des Rolldrückvorganges zuführt.