CN107262932A - 用于加工金属部件表面的方法以及金属部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于加工金属部件(10)的表面(14)、尤其用于机动车辆的连杆或凸轮的表面的方法，该方法具有以下步骤：提供一个具有待加工的表面(14)的金属部件(10)；对该待加工的表面(14)进行机械预加工；借助于激光束(16)使该经机械预加工的表面(14)结构化，其方式为，作为激光结构，在该经机械预加工的表面(14)处相对于其基准面，虽然形成隆起部但不形成凹陷部。

Description

用于加工金属部件表面的方法以及金属部件
技术领域
本发明涉及一种用于加工金属部件的表面、尤其用于机动车辆的连杆或凸轮的表面的方法，该方法具有以下步骤：提供一个具有待加工的表面的金属部件；对该待加工的表面进行机械预加工；以及借助于激光束使该经机械预加工的表面结构化。本发明还涉及一种金属部件、尤其用于机动车辆的连杆或凸轮。
背景技术
由DE 103 25 910 B4和EP 1 410 177 B1已知一种用于将结构引入连杆表面中的对应的方法。在此，相应的经机械预加工的表面借助于激光束以如下方式被激光结构化：作为激光结构，在该经机械预加工的表面处相对于其基准面，形成隆起部和凹陷部。已经证明，此类激光结构化对部件的使用寿命是不利的。
EP 2 336 586 A1公开了一种用于使部件与轴上的紧固孔产生压力配合的方法。使该部件的紧固孔的内表面和/或该轴的罩面部分地熔化，以便形成拱顶状的突出部。这些突出部在冷却之后凝固。在形成突出部的同时还形成凹陷部。
在机动车辆驱动技术中普遍已知的是，高机械应力的构造元件越来越多地由钛制成，因为例如与钢相比，钛具有大的强度以及同时小的重量。然而由于钛的材料硬度，必须高耗费地加工此类钛部件的表面，以便具有对应的表面特性，其中这些表面要么被机械地整平，以便实现摩擦或磨损的最小化；要么必须被粗糙化，以便具有对应的摩擦系数。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种方法，借助该方法一方面能够以很少的耗费使部件的表面、尤其钛部件的表面结构化，并且另一方面不存在减少该部件的使用 寿命的危险。此外，应提供一种此类的部件。
该目的在开篇所述的方法中以如下方式实现，经机械预加工的表面借助于激光束以如下方式被机构化：作为激光结构，相对于该经机械预加工的表面的基准面，虽然形成隆起部但不形成凹陷部。
通过使该待加工的表面借助于激光束根据本发明以如下方式被结构化，即作为激光结构，相对于该经机械预加工的表面的基准面，虽然形成隆起部但不形成凹陷部，能够以很少的时间耗费在该表面、尤其还是钛表面处无接触式地产生受定的粗糙度，尤其不具有减少该部件的使用寿命的危险。
通过这些隆起部设定了受限的粗糙度以提高静摩擦。根据本发明，避免了与提高静摩擦的功能无关的凹陷部，这些凹陷部可能减少该部件的使用寿命。
优选地，该待加工的表面是该金属部件的凹陷部的内表面，其中在垂直于该内表面的周向方向的方向上引导该激光束。由此可以以很少的耗费使难以接近的内表面结构化，其中通过在垂直于该周向方向的方向上引导激光束能够显著地提高该待加工的表面在该周向方向上的摩擦系数。
在一个优选的实施方式中，在该待加工的表面上沿着至少一个加工轨迹来脉冲式地引导该激光束。由此，该表面的点式的熔化是可行的，其中可以实现使该金属部件的表面特别有效地结构化。
优选地，该金属部件是钛部件、尤其钛连杆，用优选为脉冲式激光束的8±0.5瓦特的平均照射功率使其经机械预加工的钛表面激光结构化。
替代性地，该金属部件是钢部件、尤其钢连杆，用优选为脉冲式激光束的9±0.5瓦特的平均照射功率使其经机械预加工的钢表面激光结构化。
通过该优选脉冲式的激光束的此类依赖于材料的平均照射功率能够确保：作为激光结构，在该经机械预处理的表面处相对于其基准面，虽然形成隆起部但不形成凹陷部。
该激光束在多个加工轨迹中沿着该待加工的表面移动。特别优选的是，在该待加工的表面上的这些隆起部在该激光束的同一个加工轨迹中重叠地形成并且具有≥60％、尤其为60％-80％的重叠部。由此，可以实现该表面的高的结构密度，由此使得能够实现显著地提高该表面的摩擦系数。
在一个优选实施方式中，在该激光束的相应的加工轨迹中重叠的这些隆起部具有大体上圆形的形状。由此，可以通过圆形的激光束以技术上较低的耗费来生产这些隆起部。
在本发明的一个优选实施方式中，这些隆起部具有<100μm、尤其为50±20μm的宽度。这些隆起部的宽度依赖于该激光束的加工轨迹的轨迹宽度或该激光束的光斑直径。由此，可以实现在该金属部件的待加工表面处的这些隆起部的高结构密度。
在本发明的一个优选实施方式中，这些隆起部具有<20μm、尤其≤5μm的高度。由此，可以以技术上较低的耗费显著提高该待加工的表面的摩擦系数。
在本发明的一个优选实施方式中，在该机械部件的待加工表面上的机械预加工产生一个表面结构，该表面结构在该内表面的周向方向上取向。由此，可以以低的耗费借助于精镗或精磨或还有珩磨对该待加工的表面进行预加工。
在本发明的一个优选实施方式中，在多个间隔开的角度区段中使该内表面激光结构化。由此，可以使较大的面积的多个单独的区段结构化，以便点式地提高该表面的摩擦系数，由此可以减少用于结构化的耗费和加工该表面的时间耗费。此外，在该部件的这些激光结构化的面积之间的平滑的、未结构化的区域提供从 支承面到其他部件轮廓的良好的散热。
在一个优选实施方式中，通过多个激光加工轨迹、优选在多条平行的直线上在该待加工的表面上产生这些激光结构、即隆起部，其中由多个重叠的隆起部构成的这些加工轨迹、优选平行的直线彼此间隔开。在该激光束的直接相邻的加工轨迹或由多个隆起部构成的直接相邻的线之间的间距设置为这些加工轨迹的轨迹宽度的至少50％。这些加工轨迹的轨迹宽度为<100μm。相应的轨迹宽度尤其为50±20μm。可以以技术上较低的耗费提高在预定方向上的摩擦系数。
总体上，通过这种方法以技术上较低的耗费使该待加工的表面结构化并且相对应地提高了表面的摩擦系数，使得该待加工的表面可以与另一个部件的表面形成摩擦配合的连接并且可以因此减少用于将部件与表面相连接的技术耗费和时间耗费。
通过使该经机械预加工的表面以如下方式被激光结构化，即相对于该经机械预加工的表面的基准面，虽然形成隆起部但不形成凹陷部，能够以少的时间耗费在该表面处无接触式地产生限定的粗糙度，尤其不具有减少该部件的使用寿命的危险。
不言而喻，以上提及的这些特征以及还有待在以下说明的那些特征不仅能在对应给出的组合中使用，而且还在其他组合中或者单独使用而不脱离本发明的范围。
根据本发明的金属部件、在此尤其是机动车辆的连杆或凸轮，具有借助于激光束被激光结构化的一个经机械预加工的表面，其中该经机械预加工的表面以如下方式被激光结构化：作为激光结构，相对于该经机械预加工的表面的基准面，虽然形成隆起部但不形成凹陷部。
附图说明
在附图中展示了本发明的多个实施例并且在以下的说明中对其进行更详细的说明。在附图中：
图1示出了一个具有待加工表面的连杆的示意图；
图2示出了该连杆的示意性截面图，用于说明激光结构化；
图3示出了激光结构化之后的表面的示意性截面图；
图4a示出了激光结构化之后的表面的REM图像；
图4b示出了图4a的表面的示意图；以及
图5示出了该结构化的表面的示意性截面图，用于说明与第二部件的摩擦配合的连接；其中，图5a中通过箭头28示意性地指示轴瓦26与该内表面14接触，图5b中示出该内表面14通过激光脊部20与轴瓦26形成摩擦配合的连接。
具体实施方式
图1中示意性地展示了机动车辆的一个连杆并且总体上用10来指代。该连杆10优选由钛或钛合金制成。但是，该连杆还可以由钢制成。该连杆10具有一个形成大的连杆孔的槽口12。在该槽口12处形成一个内表面14，该内表面形成用于连杆10的轴瓦的支承面。该内表面14形成该连杆孔的内周面。
与连杆10本身相同，该内表面14优选由钛或由钢制成，其中在(此处未示出的)轴瓦与该内表面14之间通常形成摩擦配合的连接。该轴瓦通常与曲轴的曲柄销形成一个滑动轴承。
为了在该内表面14与该轴瓦之间形成摩擦配合的连接，通常借助于精镗对该内表面14进行机械预加工，以便将该槽口12研磨到预定的直径。
由于精镗的步骤在周向方向上形成了在该内表面14处的直线结构并且该表面具有小的摩擦系数，根据现有技术，该内表面14必须在精镗的步骤之后被粗糙化或结构化，以便获得受限且足够的粗糙度。
在本发明的意义上，在机械预加工的步骤(在此优选是精镗)之后，优选形成为待加工的钛表面的该内表面14借助于激光束被受限地结构化或受限地粗糙 化，以便获得用于与轴瓦摩擦配合地连接的对应的粗糙度值。在此，该激光束结构化以如下方式进行：作为激光结构，在该经机械预加工的表面14处，相对于其基准面，虽然形成隆起部但不形成凹陷部。
在图2中示出了该连杆10的示意性截面图，用于说明激光结构化。在激光结构化的过程中，借助于激光束16来照射该内表面14，使得通过优选由钛制成的表面的熔化而产生对应的激光结构并且可以因此获得结构化和对应的表面粗糙度。在此，该激光束16是脉冲式激光束并且优选是Nd YAG激光束。该激光束16优选通过具有两个反射镜的扫描振镜(Galvoscanner)沿着该待加工的表面14转向或移动。
该激光束具有限定的光斑宽度。该内周面14通过激光束16(该激光束在多个加工轨迹中沿着该周向面14以限定的推移速度移动)优选在不同的角度区段处被照射，其中在该内表面14处产生多个单独间隔开的结构化区域18或面积。加工轨迹的轨迹宽度对应于该激光的光斑宽度。
优选地，在该内表面14处产生两个结构化区域18，这些结构化区域分别跨过一个150°的角度区段并且分别被一个2°的未结构化的区域19彼此分开。正如在图1中示意性地展示的，总体上得出四个结构区域18或结构区18，这些结构区域或结构区分别覆盖一个74°的角度区段。这些结构区域在槽口12中、优选在槽口12的轴向方向上在中间取向，以便形成特别对称的摩擦系数。
为了在激光束结构化过程中，作为激光结构，在该经机械预加工的表面14处相对于其基准面仅形成隆起部而不形成凹陷部，在钢部件中以9±0.5瓦特的平均照射功率来操作该优选脉冲式的激光束。在钢部件的激光结构化过程中，该脉冲式激光束的推移速度为500至700mm/s，该脉冲式激光束的脉冲频率40±3kHz，脉冲时长为大约5μs。该激光束的加工轨迹的轨迹宽度为50±20μm。
在钛部件中，以8±0.5瓦特的平均照射功率来操作该优选为脉冲式的激光 束。在钛部件的激光结构化过程中，该脉冲式激光束的推移速度为250至350mm/s，该脉冲式激光束的脉冲频率60±3kHz，脉冲时长为大约5μs。该激光束的加工轨迹的轨迹宽度为50±20μm。
在此类依赖于材料的平均照射功率、推移速度、脉冲频率和脉冲时长下，在具有机械预加工的形貌的表面处，在激光束输入能量的地方出现局部熔化。
在该熔化物的冷却过程中，没有获得机械预加工的形貌，而是由于热膨胀，相对于该经机械预加工的表面14的表面基准面，产生隆起的结构以及因此隆起部或凸出部但不产生凹陷部。
原则上，这些隆起的结构在从熔体向蒸气相过渡的过程中产生。基于使所说的暂时的过渡结构冷凝的冷却梯度，产生了向上定向的细的脊部。在此，该熔池是不平稳的并且产生气体夹带，这在凝固后的熔体中生成较小的密度，由此补偿了体积平衡并且因此不产生凹陷部。由于有偏差的参数设定也可能产生凹陷部，但是在摩擦方面这些凹陷部与提高摩擦的目的不相关。
在图3中展示了该内表面14的示意性截面图。该内表面14具有规则的表面结构，该规则的表面结构通过精镗的机械预处理步骤产生并且在槽口12的周向方向上取向。正如在图3中示意性地展示的，该表面结构一般来说具有高度R。
该槽口12的该内表面14或表面14还具有多个隆起部或熔体脊部20，这些隆起部或熔体脊部通过在优选由钛制成的表面处的激光结构化而产生。
这些隆起部或熔体脊部20具有高度h，该高度为至多10μm、尤其至多5μm。这些隆起部或熔体脊部20可以显著地提高优选由钛制成的表面的粗糙度，使得可以实现与另一个部件(例如轴瓦)的摩擦配合的连接。
在图4a中展示了内表面14的扫描电子显微镜(REM)图像并且在图4b中 展示了该内表面14的示意图。
通过精镗产生的表面结构是由在槽口12的周向方向上取向的多个平行带构成的。在图4中通过箭头22示意性地展示了该周向方向。
通过激光束16在该内表面14上沿着该激光束16的这些加工轨迹产生的这些激光结构(即隆起部或熔体脊部20)形成为重叠的圆形结构，这些激光结构优选地在分别由重叠的圆形结构构成的平行直线中在该内表面14上形成。正如在图4中通过箭头24示出的，这些加工轨迹或平行的直线垂直于周向方向22以及由此在运行中的连杆的负载方向取向。
通过在该内表面14上的这些激光结构的取向，可以在周向方向22上获得提高的摩擦系数，由此可以在该内表面14与该轴瓦之间形成抗扭转的连接。
这些圆形的激光结构(即隆起部或熔体脊部20)或分别由重叠的圆形结构构成的这些平行线具有50±20μm、优选65μm的结构宽度b。
这些激光结构(即隆起部或熔体脊部20)还具有为加工轨迹的轨迹宽度的(以及由此该结构宽度b的)至少50％的间距a，优选55μm的间距a。在每个加工轨迹中的这些单独的圆形结构的重合率为优选60％或60％-80％。
通过在多个圆形的激光结构(这些圆形的激光结构在直线的列中重叠地安排在该内表面14上)中这样形成的这些隆起部或熔体脊部20，可以显著地提高该槽口12的表面的摩擦系数，使得可以与第二部件(例如轴瓦)形成摩擦配合的连接。
在图5a、5b中以示意性截面图连同轴瓦26一起展示了该内表面14。正如在图5a中通过箭头28示意性地指示的，该轴瓦26与该内表面14接触，其中正如在图5b中示出的，该内表面14通过激光脊部20与该轴瓦26形成摩擦配合的 连接。由此，可以以技术上较低的耗费，尤其通过借助于激光束16的结构化，形成在该轴瓦26与该内表面14之间的抗扭转的连接。
不言而喻，用于使该表面结构化的这种方法也可用于其他的表面，例如凸轮，这些凸轮应与轴管形成摩擦配合的连接并且一起形成机动车辆的凸轮轴。
根据本发明的金属部件10尤其实施为机动车辆的连杆或凸轮。该金属部件具有借助于激光束16被激光结构化的一个经机械预加工的表面14。该经机械预加工的表面14以如下方式被激光结构化：作为激光结构，相对于该经机械预加工的表面的基准面，虽然形成隆起部但不形成凹陷部。
这些隆起部在由多个隆起部构成的多个轨迹中在该待加工的表面14上形成，这些隆起部沿着激光束的加工轨迹形成。这些隆起部在一个轨迹内具有优选为60％-80％的重叠，其中由多个隆起部构成的直接相邻的轨迹不重叠地间隔开。
金属部件优选是钛部件、尤其内燃发动机的钛连杆。

Claims (15)

1.用于加工金属部件(10)的表面(14)、尤其用于机动车辆的连杆或凸轮的表面的方法，该方法具有以下步骤：
-提供一个具有待加工的表面(14)的金属部件(10)，
-对该待加工的表面(14)进行机械预加工，
-借助于激光束(16)使该经机械预加工的表面(14)结构化，
其特征在于，
该经机械预加工的表面(14)以如下方式被激光结构化：作为激光结构，相对于该经机械预加工的表面的基准面，虽然形成隆起部但不形成凹陷部。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该待加工的表面(14)是该金属部件(10)的一个槽口(12)的内表面(14)，其中在垂直于该内表面(14)的周向方向(22)的方向(24)上引导该激光束(16)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在该待加工的表面(14)上沿着至少一个加工轨迹来脉冲式地引导该激光束(16)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在一个加工轨迹内形成的这些隆起部在该待加工的表面(14)上重叠地形成并且具有尤其≥60％、优选为60％-80％的重叠。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在多个加工轨迹中的这些隆起部分别由在该待加工的表面(14)上的多个重叠的隆起部产生，其中这些加工轨迹不重叠地彼此间隔开并且优选地具有为这些加工轨迹的轨迹宽度的至少50％的间距。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，这些隆起部具有大体上圆形的形状。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，这些隆起部具有<100μm、优选50±20μm的宽度。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，这些隆起部具有<20μm、尤其<5μm的高度。
9.根据权利要求3至8之一所述的方法，其特征在于，该金属部件(10)是钢部件、尤其钢连杆，以9±0.5瓦特的平均照射功率使其经机械预加工的钢表面(14)激光结构化。
10.根据权利要求3至8之一所述的方法，其特征在于，该金属部件(10)是钛部件、尤其钛连杆，以8±0.5瓦特的平均照射功率使其经机械预加工的钛表面(14)激光结构化。
11.根据权利要求1至10之一所述方法，其特征在于，在该待加工的表面(14)上的机械预加工产生一个表面结构，该表面结构在该内周面(14)的周向方向(22)上取向。
12.根据权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，在多个间隔开的角度区段(18)中使该内周面(14)激光结构化。
13.金属部件(10)，尤其机动车辆的连杆或凸轮，该金属部件具有借助于激光束(16)被激光结构化的一个经机械预加工的表面(14)，其特征在于，
该经机械预加工的表面(14)以如下方式被激光结构化：作为激光结构，相对于该经机械预加工的表面的基准面，虽然形成隆起部但不形成凹陷部。
14.根据权利要求13所述的金属部件(10)，其特征在于，在多个轨迹中的这些隆起部由在该待加工的表面(14)上的多个隆起部形成，其中这些隆起部在一个轨迹内具有重叠并且其中由多个隆起部构成的多个直接相邻的轨迹不重叠地间隔开。
15.根据权利要求13或14所述的金属部件(10)，其特征在于，该金属部件是钛部件。
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