CN104551532A - 用于生产涂层孔表面——特别是气缸孔的涂层孔表面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产涂层表面——特别是内燃发动机机的气缸孔的涂层表面——的方法。本发明提出了在毛坯中存在的气缸孔通过珩磨预加工，使得初始形状产生，所述的初始形状在空载状态下与参考形状有偏差。在下一个步骤中涂层通过电解被施加。

Description

用于生产涂层孔表面——特别是气缸孔的涂层孔表面的方法

技术领域

本发明涉及一种用于生产涂层表面的方法，特别是生产内燃发动机的气缸孔的涂层表面的方法。

背景技术

内燃发动机的气缸孔应该在它的内部圆周和在其中以往复运动的方式移动的活塞和/或活塞环之间具有均匀和微小的间隙，以便在最好的情况下实现理想的摩擦学条件。众所周知，气缸孔在操作模式中变形，即与理想的圆柱形形状有偏差，以致于实际圆柱生产的气缸孔具有非圆柱形形状。由于机械载荷——例如，如果缸盖拧上，这样的偏差会出现。这样的偏差也可以通过热和/或通过动力的影响出现。很明显，在操作模式下偏离圆柱形形状的气缸孔的表面对摩擦学系统有负面影响。

为了解决这个问题，EP 1321229 B1号专利文献提出了在空载状态下，气缸孔具有偏离参考形状——即偏离圆柱形形状——的初始形状。在这方面，在EP 1321229B1号专利文献中，提出了生产非圆形的气缸孔的初始形状，并且由于在操作模式下的上述影响，该初始形状会变形成尽可能圆的形状，即尽可能的圆柱形的形状。

在DE 102007024569A1，DE 102007063567A1和DE 102009007023A1号专利文献中，还提出了首先生产在空载状态下偏离圆柱形形状的气缸孔的初始形状，其中在操作模式下气缸孔变形成实质上圆形形状，即尽可能的圆柱形形状。

DE 102007023297A1号专利文献也公开了适于操作负载和偏离圆柱形对称性的孔的(非圆形)的机械加工应该具有优点：结果是，气缸变形可以在对降低油耗和改善活塞环调整可能更重要的操作条件下显著的减少。DE 102007023297A1号专利文献进一步公开了将要提供一种两步法，其中精密加工是为了紧随预加工。在用于生产非圆形形状的初始形状的第二步骤发起之前，即精密加工开始之前，DE 102007023297A1号专利文献提供了施加滑动层到预加工的初始形状上。根据DE102007023297A1号专利文献，这唯一能够通过热喷涂工艺发生，其中，电弧金属丝喷涂，大气等离子体喷涂或高速火焰喷涂是可以想到的。等离子体粉末喷涂也可以是合适的喷涂方法。在这种情况下，DE102007023297A1号专利文献尤其表明施加的层的层厚度不是为了比至少50μm还小。此外，在涂层之前，表面应该通过热的，机械的，化学的或水喷射辅助的手段预先处理。

在所述的热涂层方法中，在高温下熔融和偶尔以非常高的速度的涂层颗粒接触到将被涂层的表面，以便产生热喷涂层。这里明显的缺点是，将被涂层的基本材料部分地遭受热处理，以致于其中的材料性能会改变。此外，其中设置有将被涂层的气缸孔的气缸体加热到非常高的温度，以致于使气缸体的进一步的加工延迟所需冷却阶段的持续时间。

鉴于这些观察结果，用于生产涂层孔表面，特别是气缸孔的涂层空表面的方法，提供了进一步改善的空间。

发明内容

考虑到这一点，本发明的目的是有利地开发在引言中提到的类型的方法。

这个目的通过具有以下公开的特征的方法来实现的。

应当提到的是，单独在下面的说明书中陈述的功能和措施也可以以任何技术上有利的方式彼此组合，并且公开本发明的进一步的实施例。说明书结合附图描述本发明及其各部分的特征并详述本发明及其各部分。

通过本发明，提出一种用于生产涂层表面，特别是内燃发动机的气缸孔的涂层表面的方法，所述的方法至少包含在空载状态下首先生产偏离参考形状的气缸孔的初始形状的步骤，其中在进一步的步骤中，涂层通过电解发生。

从可以由铝和/或由铝合金形成的和具有最初粗糙地生产的气缸表面的气缸体开始，因此，在第一步骤中，产生气缸孔的非圆柱形表面，其中特别地包含与圆柱形形状的偏差。气缸表面可以与气缸体的生产同时生产，即铸造，引入作为孔或者甚至插入作为气缸体中的轴衬。通过这种粗糙地生产的气缸孔，即实质上未经处理的铝，根据本发明方法的第一步骤通过与期望的偏差存在的负面形状发起。

偏差的创造可通过珩磨发生，特别是通过形状生产的珩磨操作发生，其中可以使用珩磨条——优选金刚石条或弹簧式安装的陶瓷条，以便产生经受形状生产的珩磨操作的表面。

如果通过以前几乎未经处理的基本材料(铝；铝合金)的加工的第一步骤，优选通过形状生产的珩磨操作，实现大约最终的尺寸，特别是几乎与参考形状有偏差的最终程度，则这是有利的。这是有优势的，因为只有非常薄的层能够通过随后的依靠电解的涂层施加，其中在预加工期间，施加的层的厚度(和通过珩磨的可选择的后处理)自然地被考虑在内。

然而，所施加的层是非常薄的以致于校正程序几乎可以省去。在这点上，几乎最终尺寸应该已经用先前的预加工实现。

通过形状生产的珩磨操作，小程度的粗糙度可以存在，其中粗糙度自然地对涂层有影响。如果预加工表面具有从1到4μm范围的粗糙度，则是有优势的。

在施加涂层之前，应该清洁表面，特别对表面进行脱脂。

根据本发明的涂层是通过电解施加的。在优选的实施例中，涂层在电解槽中发生。为了这个目的，可以有利地提供掩模以便相应地覆盖不打算涂层的区域。为了掩蔽，可以提供通过合适的手段——即例如通过O形环密封件——密封气缸孔的盖子。因此，由于掩蔽，只有将要涂层的表面与电解质接触。

通过形状生产的珩磨操作的初始形状的先前创造在涂层后得到保持是有利的。在电解中，电极被引入到气缸孔中。这两个元件具有大约相同的纵向范围。在两者之间，即在电极的外周与气缸孔的表面之间，形成环状间隙，电解质流体通过环形间隙流动。电极在这种情况下形成阴极，其中气缸体形成阳极。可以施加具有400到500伏特的电压的脉冲直流电，其中电解自然地也可以利用非脉冲直流或交流电发生。10至30A/dm²的电流强度已经证明是有利的。涂层时间可以在2至10分钟范围内选择，其中所有气缸孔可以同时涂层。自然地，因此，一个各自的电极也可以提供用于每个气缸孔。

通过涂层，可以施加耐磨层，即产生。很明显的是，可以避免热的输入和因此如在热喷涂方法中可观察到的与基本材料的性质相关的改变。热引起的翘曲也可以避免。初始形状保持如同在预加工的第一步骤中那样，即，它已经通过形状生产的珩磨操作产生，特别甚至具有期望的偏差。

通过工艺参数的选择，例如，涂层的孔隙率，可以具体设置，以便改进油保持能力，这是有利的。因此，减小的滑动摩擦磨损也通过孔隙率改进，其中流体动力润滑性得到改进。涂层还具有高程度的硬度，以便减小在混合摩擦范围内以低发动机速度进行的滑动摩擦。因此，发动机的寿命可以增加。

如果电解涂层的方法被执行用于生产，例如，氧化物陶瓷涂层，则这是有利的。在有利的实施例中，涂层可以使用一个或下列方法的组合来实施：等离子体电氧化(PEO)，等离子体电解沉积(PED)和微弧氧化(MAO)。在这种情况下，形成的层由基本材料的一种或多种氧化物组成，即例如氧化铝或氧化钛。在方法的结合使用中，涂层优选地在不同的连续涂层的步骤中发生，其中使用各自的涂层方法。

在优选实施例中，实施所谓的等离子体电解沉积(PED)，其在液体电解质中产生。在这种情况下，层产生，其从表面到基本材料(铝，铝合金)中生长和在电极的方向上被创造，即几乎成环形间隙。然而，在PED中，不仅氧化铝的层而且其他金属氧化物——比如氧化钛的层可以产生。

特别是当通过电解涂层，即优选通过PED方法时，特别均匀的层厚度可以实现，这可以在每个内部周缘区域上，甚至在具体产生偏差的区域中，在径向方向上观看到，这是有利的。在这方面，用于去除材料的过多施加的后加工几乎可以省去，其自然地不影响可选择的用于抛光的后加工。

这样产生的层可以发展为特定的深度到基本材料中，其中向外的层具有与之偏差的较大的层厚度。在这方面，具有11至20μm的总厚度的层可以被生产得非常薄。在这方面，发展为基本材料的层厚度可以大约是向外发展的层厚度的33％(即大约三分之一)。如果层厚度，例如，为11至12μm，则发展为基本材料的层具有大约3μm的值，其中向外发展的层具有约8至9μm的值。即使层具有20μm的厚度，这仍然是在本发明的意义范围内非常薄的。在这种情况下，大约5μm会发展为基本材料，其中具有15μm厚度的层会通过向外发展被创造。通过发展为基本材料，层此外几乎与基础材料交联，其导致特别良好的连接，即紧密连接，即层与基本材料的粘合。甚至通过层的除热在内燃发动机的操作中是特别有效的，因为所述层通过电镀施加，其正如上面已经提到的，导致与基本材料的特别牢固的接合。如此之薄的层可以紧接着经受形状生产的珩磨操作特别好的表面，其意味着无需在其期望的设计中改变经受形状生产的珩磨操作的表面，层与之相反承载。

相比于此，被热施加的层具有至少50至250μm的层厚度。

通过电解施加的层因此大大薄于50μm且具有例如1500HV的硬度。自然地，层的特性以及层厚度，孔大小和层的粗糙度可以通过关于如已经提到的电解的处理参数(电解质的选择，它的浓度和温度；电流的类型，电流的密度，电压和处理的持续时间)调节。涂层可以具有2至4μmRz的粗糙度和例如，0.26μm Rpk的峰值。孔可以具有2至3μm的值。因此，具有与圆柱形参考形状偏差的初始形状可以在涂层之前已经形成是有利的，其中自然地在涂层期间的材料施加和尽管极低的利用可选的抛光(下面提供进一步的细节)的材料的去除必须考虑。由于偏差——其实质上在操作模式中被补偿，以便在操作模式中形成实质上圆柱形孔，在操作期间的活塞环可以理想地靠在根据本发明生产的气缸表面上。

通过电解施加的层在其面对进入环形间隙的表面上具有归因于孔和层结构的波状形设计。如果由于层的小程度的粗糙度，预期的波状形小，那么这个表面并不一定必须进行后加工。可选择地，然而，在任何情况下，后加工可以在进一步的步骤中发生，其中表面可进行抛光。后加工可以通过珩磨或其他已知的后加工方法，甚至粗加工或刷涂发生。在优选实施例中，表面可以通过用金刚石条或弹簧式安装陶瓷条的形状生产的珩磨操作后加工。因此，在本发明的含义内，如果珩磨工具用于抛光，那么它的珩磨条段以振荡方式暂停，其中珩磨条段相对于气缸孔的轴向长度相对短，其中所述的珩磨条段比涂层外形的短波元件还长，以便能够实现期望的抛光。在这种情况下，已经施加的材料被去除到最小程度，其中气缸孔的几何形状，即在涂层的气缸孔的几何形状，几乎保持不变。如上面所提到的，用于后加工，刷涂也可以实施，其中使用珩磨刷。可选择地，也可以使用柔性珩磨刷。

有利地，在本发明的意义内，用于抛光的后加工期间，然而，材料的去除量保持特别小，其中表面波状减少或完全抛光出来。在这方面，可选择的成品磨光，抛光层具有是层典型特征的孔。通过在操作状态下实质上补偿的偏差，以致于在操作状态下形成实质上圆柱状孔，在操作中的活塞环可以理想地靠在根据本发明生产的气缸表面上。

附图说明

本发明的进一步有利的细节和效果参照下面图中所示的示例性实施例在下文中更详细地描述，附图中：

图1显示了在空载状态下偏离透视图中参考形状的初始形状，

图2显示了在纵向截面中图1的初始形状，

图3显示了具有施加的涂层的图2的初始形状，

图4显示了在气缸体平面下的横截面5mm处图1的初始形状，以及

图5显示了在气缸体平面下的横截面15mm处图1的初始形状。

具体实施方式

在图1中，单个气缸孔1以将要在模型中生产的初始形状2可见，其具有与圆形的偏差3。初始形状2，即模型，在空载状态下显示。气缸孔1是内燃发动机的组件，未示出，其可以具有一个以上的气缸孔。气缸孔1设置在气缸体中，未示出，其通过示例的方式由铝或铝合金组成。图示的箭头4表示曲轴校直。气缸体的基本材料(铝，铝合金)，即气缸孔，是处于未加工的形式，即作为圆柱形的毛坯，其中在图1中可见的初始形状2可以生产。

初始形状2的目的是要生产，从而成为在空载状态下的非圆形，因为气缸孔在操作状态下，即在负载状态下变形。计算偏差，即模拟偏差，使得在操作状态下气缸孔的变形——即在负载状态下的变形——不再存在，以便实现在操作状态下的实质上圆柱形的气缸孔1。

在图2中，使用虚线所示的线5的圆柱形形状是通过示例的方式针对具有直径为92.2mm的孔可见的。与非圆的偏差通过实线6在图2中是可见的。

此外，在图1中说明测量尺度7。所述的测量尺度是为了在曲轴室的方向显示与气缸体平面的间隔。在下部区域8中，即在曲轴室的区域中，将要生产的初始形状2是为了具有圆柱形区域。这是因为甚至在操作模式中从圆柱形的非圆的变形在这里不被期望。

在气缸体平面的方向，在负载状态下，变形必须考虑在内，以便所述的变形可以相应地被引入到初始形状2中，使得在负载状态下的变形理想地被完全补偿。

为了这个目的，其中包含气缸孔(见图2，线5)的气缸体的最初未经处理的毛坯通过形状生产的珩磨操作加工。自然地，线5并不代表将要加工的毛坯的内壁。线5是为了代表在负载下的理想的圆柱形形状。

在形状生产的珩磨操作期间，在图1中所示的初始形状2的模型中可见的结构包含在气缸体中，即在气缸孔1的毛坯中。与气缸体平面的间隔能够在垂直方向上在连续的示范性点处通过示例的方式在各种情况下确定。与非圆形的偏差被分配到这些示例性的点，以便使用线6，经受形状生产的珩磨操作的表面可见。

如果根据图1所示的模型的表面受到形状生产的珩磨操作，则在本发明的意义内，涂层受到形状生产的珩磨操作的表面是有利的，其中特别方便地，耐磨和硬质层被施加于经受形状生产的珩磨操作的表面上。根据本发明，层通过电解法，更好地通过等离子体电解沉积(PED)进行施加。

因此，涂层是通过电镀施加的，其中涂层的一部分发展为基本材料并且进一步的部分在气缸孔的中心垂直轴的方向上创造。通过示例的方式，该涂层具有11μm的总厚度，其中约3μm发展为基本材料和大约8μm在中心垂直轴的方向上创造，即相对于最初受到形状生产的珩磨操作(线6)的表面。这样的层8使用波纹视图在图3中是可见的，其中发展为基本材料的层组件未示出。

涂层因此是非常薄，并且紧接着经受形状生产的珩磨操作的表面，而没有改变根据预定的初始形状2的设计。这是电解涂层的特殊优点，因为它并不一定必须进行后加工。在图3中涂层表面的波动的选定视图自然地被扩大。类似地，涂层8的表面可以选择地进行抛光，其中可以实施珩磨的方法，优选形状生产的珩磨操作。

在图4和图5中，距气缸体平面5mm(图4)和15mm(图5)的距离处的横截面被显示了。虚线9是为了代表在负载下的理想圆柱形参考形状。线10显示了具有模拟偏差的受到形状生产的珩磨操作的表面。这种情况下，在圆周方向上观察，举例来说，偶数是分配给模型中的初始形状2的偏差值。线11——其相应地是波状的显示，如在图3中，层8与它的波状形表面。自然地，层8的层结构应该视为均匀的，而不是不均匀的，其仅仅是由于图中的不精确性造成的。在图4和图5中，推力方向和反推力方向在每一种情况下通过线12表明。

自然地，所有的引用和识别的值都将被理解为仅仅是通过示例的方式提供。

Claims (10)

1.一种用于生产涂层表面——特别是内燃发动机的气缸孔的涂层表面——的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

通过珩磨预加工毛坯中存在的气缸孔，使得初始形状(2)产生，所述的初始形状在空载状态下具有与参考形状的偏差，以及

通过电解施加涂层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，气缸孔通过形状生产的珩磨操作预加工。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在预加工期间，毛坯经受形状生产的珩磨操作以便在气缸孔的空载状态下产生非圆柱形表面，其在气缸孔的负载状态下能够变形使得能够实现具有圆柱形设计的参考形状。

4.根据前述权利要求中的任意一个所述的方法，其特征在于，毛坯通过珩磨加工进行加工几乎为成品尺寸，其中在预加工期间，通过电解的层的施加和随后的精加工被考虑在内。

5.根据前述权利要求中的任意一个所述的方法，其特征在于，涂层(8)通过以下方法之一或他们的组合产生：等离子体电解氧化，等离子体电解沉积和微弧氧化。

6.根据前述权利要求中的任意一个所述的方法，其特征在于，以电解产生的层具有发展为具有向外发展的层的大约1/3的值的基本材料的层。

7.根据前述权利要求中的任意一个所述的方法，其特征在于，以电解产生的层产生有优选11至12μm的层厚度，其中发展为基本材料的层具有3μm的值并且向外发展的层具有8至9μm的值。

8.根据前述权利要求中的任意一个所述的方法，其特征在于，以电解产生的层具有1500HV的硬度，2至4μm Rz的粗糙度，0.26μm Rpk的峰值和有2至3μm的尺寸值的孔。

9.根据前述权利要求中的任意一个所述的方法，其特征在于，通过电解施加的层能够在通过珩磨方法的施加之后的步骤中进行抛光。

10.根据前述权利要求中的任意一个所述的方法，其特征在于，通过电解施加的层在它的表面具有波形状，其能够在层的施加之后的步骤中通过珩磨方法进行抛光。