DE10023768A1

DE10023768A1 - Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung

Info

Publication number: DE10023768A1
Application number: DE10023768A
Authority: DE
Inventors: Rolf Heinemann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2001-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei das Bauteil auf einem Bauteilträger angeordnet ist und mittels eines Bearbeitungswerkzeuges die Innenfläche bearbeitet wird. Hierbei wird vor der Bearbeitung ein Istwert der Position des Bauteils relativ zum Bearbeitungswerkzeug mittels wenigstens eines Meßlaserstrahls gemessen, mit einem Sollwert verglichen und der Bauteilträger derart verfahren, bis der Istwert mit dem Sollwert bis auf eine vorbestimmte Differenz übereinstimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium- Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei das Bauteil auf einem Bauteilträger angeordnet ist und mittels eines Bearbeitungswerkzeuges die Innenfläche bearbeitet wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die für Zylinderkurbelgehäuse vorwiegend eingesetzten untereutektischen Aluminium- Silizium-Legierungen sind aufgrund des zu geringen Anteils der verschleißfesten Siliziumphase für die tribologische Beanspruchung des Systems Kolben-Kolbenring- Zylinderlaufbahn ungeeignet. Übereutektische Legierungen, z. B. die Legierung AlSil₇Cu₄Mg, besitzen einen ausreichenden Anteil an Siliziumkristalliten. Dieser harte, verschleißbeständige Gefügebestandteil wird durch chemische und/oder mechanische Bearbeitungsstufen gegenüber der aus dem Aluminiummischkristall bestehenden Matrix hervorgehoben und bildet einen erforderlichen Tragflächenanteil. Nachteilig wirkt sich jedoch die gegenüber den untereutektischen und naheutektischen Legierungen mangelhafte Vergießbarkeit, die schlechte Bearbeitbarkeit und die hohen Kosten für diese Legierung aus.

Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Nachteils ist das Eingießen von Laufbuchsen aus verschleißbeständigem Material wie z. B. Grauguß. Problematisch ist hier jedoch die Verbindung zwischen Buchse und Umguß, welcher alleine durch eine mechanische Verzahnung gewährleistet wird. Durch Einsatz eines porösen keramischen Buchsenwerkstoffs ist es möglich, beim Gießprozeß diesen zu infiltrieren und zu einer stofflichen Verbindung zu gelangen. Dazu ist eine langsame Formfüllung sowie die Anwendung von hohem Druck erforderlich, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich herabsetzt.

Alternativ werden unter- und naheutektischen Legierungen als galvanische Beschichtungen direkt auf die Laufbahnen aufgebracht. Dies ist jedoch teuer und tribochemisch nur ungenügend beständig. Eine weitere Alternative bilden thermische Spritzschichten, welche ebenfalls direkt auf die Laufflächen appliziert werden. Die Haftfestigkeit dieser Schichten ist jedoch aufgrund einer alleinigen mikromechanischen Verklammerung nur ungenügend.

Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Oberflächenmodifikationen Umschmelzen, Einlegieren, Dispergieren und Beschichten durch den Einsatz eines Lasers auszuführen, wie beispielsweise aus der DE 39 22 378 A1, DE 196 43 029 A1 oder der EP 0 950 461 A2 bekannt. Hierbei wird üblicherweise ein zu bearbeitender Hohlkörper, welcher zylinderförmig mit einer rotationssymmetrischen Zylinderachse ausgebildet ist, ortsfest gehalten und eine Umlenkoptik für den Laserstrahl sowie eine Zuführung für Legierungspulver rotiert und gleichzeitig entlang der Zylinderachse vorgeschoben. Der auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Körpers fallende Laserstrahl erzeugt an der Zylinderwand im Bereich einer Kolbenlauffläche ein Schmelzbad, in welches hier vorzugsweise Silizium oder andere Hartstoffe eingebracht werden, um eine verschleißfeste, tribologisch geeignete Lauffläche zu erhalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine Bearbeitungstiefe sowie eine Bearbeitungsqualität über einen Umfang eines Werkstückes wie auch über verschiedene Werkstücke hinweg möglichst konstant und gleichmäßig bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß vor der Bearbeitung ein Istwert der Position des Bauteils relativ zum Bearbeitungswerkzeug mittels wenigstens eines Meßlaserstrahls gemessen, mit einem Sollwert verglichen und der Bauteilträger derart verfahren wird, bis der Istwert mit dem Sollwert bis auf eine vorbestimmte Differenz, beispielsweise einen Meßfehler oder eine Toleranzvorgabe, übereinstimmt.

Dies hat den Vorteil, daß gleichmäßig tiefe Bearbeitungszonen auf dem Umfang der Bohrung wie auch gleichbleibende Bearbeitungsresultate bei n Bohrungen bzw. n Bauteilen erzielt werden. Gleichzeitig wird ein hohes Qualitätsniveau mit hoher Wiederholrate beim Prozeß sichergestellt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Meßlaserstrahl parallel zu einer Längsachse der Bohrung ausgerichtet und deckt einen Flächenbereich wenigstens abschnittsweise ab, der der Sollposition der Bohrung entspricht, wobei der Bauteilträger in diejenige Richtung Verfahren wird, in der sich eine Reflektion des Meßstrahlerstrahls an dem Bauteil ergibt.

Zweckmäßigerweise wird zum Abdecken des Flächenbereiches, in dem sich die Sollposition der Bohrung befindet, der Meßlaserstrahl entsprechend verfahren oder eine Mehrzahl von Meßlaserstrahlen im Bereich des Umfangs der Sollposition der Bohrung entsprechend angeordnet.

Beispielsweise wird jedem Ort, an dem sich eine Reflektion des Meßlaserstrahls ergibt, ein sich bzgl. der Bohrung radial erstreckender Vektor zugeordnet, wobei die Verfahrrichtung des Werkstückes aus einer Vektoraddition aller sich ergebender Verkoren bestimmt wird.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer zu bearbeitenden Bohrung eines Bauteils und

Fig. 2 eine schematische Aufsicht einer zu bearbeitenden Bohrung eines Bauteils.

Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen die Positionierung eines Bauteils 10 mit einer Bohrung 12 für eine nachfolgende Oberflächenbehandlung einer Innenfläche 14 der Bohrung 12. Hierzu ist das Bauteil 10 mit der Bohrung 12 an einer vorbestimmten Stelle bezüglich eines nicht dargestellten Bearbeitungswerkzeuges möglichst exakt zu positionieren, um bei einer Oberflächenveredelung beispielsweise mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls mit geringer Einschmelztiefe eine gleichmäßige Bearbeitungstiefe über die gesamte zu bearbeitende Innenfläche 14 zu erzielen.

Hierzu wird bei dem dargestellten Beispiel an vier Stellen, nämlich bei 16, 18, 20 und 22, ein Meßlaserstrahl 24 parallel zu einer Längsachse 26 der Bohrung 12 ausgerichtet und in Richtung auf das Bauteil 10 geführt. Hierbei ergibt sich keine Reflexion des Laserstrahls, wenn sich im Strahlbereich die Bohrung 12 befindet. Befindet sich dagegen das Bauteil 12 im Meßlaserstrahl 24, so erfolgt eine Reflexion, welche mit entsprechenden, nicht dargestellten Sensoren aufgenommen wird. In der beispielhaften Darstellung von Fig. 2 erfolgt an den Meßstellen 18, 20 und 22 eine Reflexion des Laserstrahls 24 und an der Meßstelle 16 keine Reflexion des Laserstrahls 24.

Die Messung an den verschiedenen Stellen 16 bis 22 erfolgte dabei wahlweise mit einem einzigen Meßlaserstrahl, welcher nacheinander diese entsprechenden Meßstellen 16 bis 22 anfährt oder alternativ mit vier verschiedenen Meßlaserstrahlen, welche entsprechend den Meßstellen 16 bis 22 angeordnet sind.

Aus der Gesamtheit der Information an Meßstellen 16 bis 22 mit bzw. ohne Reflexion läßt sich eine Abweichung der Istposition von einer vorbestimmten Sollposition des Bauteils 10 und insbesondere der Bohrung 12 relativ zum Bearbeitungswerkzeug feststellen. Die Meßstellen 18 bis 22 bzw. die jeweiligen Meßlaserstrahlen sind dabei derart angeordnet, daß alle Meßlaserstrahlen an den Meßstellen 18 bis 22 ohne Reflexion in die Bohrung 12 hinein fallen, wenn sich die Bohrung 12 in der Sollposition befindet. In der Darstellung gemäß Fig. 2 befindet sich das Bauteil 10 und damit die Bohrung 12 zu weit links. Das Ergebnis der Messung mittels der Laserstrahlen 24 an den Meßstellen 16 bis 22 ist somit, daß das Bauteil 10 in Pfeilrichtung 28 zu bewegen ist, um es der gewünschten Sollposition anzunähern. Es erfolgt solange eine Bewegung in Richtung von Meßstellen 16 bis 22, an denen eine Reflexion auftritt, bis an allen Meßstellen 16 bis 22 keine Reflexion des Laserstrahls 24 mehr meßbar ist. Dann befindet sich das Bauteil 10 mit seiner Bohrung 12 an einer genau vorbestimmten Position relativ zum Bearbeitungswerkzeug, so daß anschließend die Bearbeitung der Innenfläche 14 des Bauteiles 10 erfolgen kann.

Mit anderen Worten wird somit mittels des bzw. der Laserstrahlen 24 zunächst eine Istposition des Bauteils 10 erfaßt und mit einer gewünschten Sollposition verglichen.

Daraufhin wird das Bauteil 10, beispielsweise auf einem nicht dargestellten Bauteilträger, solange verfahren, bis sich aus der Lasermessung ergibt, daß sich die Bohrung 12 an einer genau vorbestimmten Stelle bezüglich des Bearbeitungswerkzeuges für die Innenfläche 14 der Bohrung 12 befindet.

Bei der Oberflächenveredelung der Innenfläche 14 wird beispielsweise ein rotierender Laser eingesetzt, der eine spiralförmige Auftragung, Einlegierung und/oder Dispergierung mittels einer teleskopisch ausfahrbaren Laserlanze oder einer von einem Roboter gesteuerten Laserlanze durchführt.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Bauteil

12

Bohrung

14

Innenfläche

16

Meßstelle

18

Meßstelle

20

Meßstelle

22

Meßstelle

24

Laserstrahl

26

Längsachse der Bohrung

12

28

Pfeil

Claims

1. Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei das Bauteil auf einem Bauteilträger angeordnet ist und mittels eines Bearbeitungswerkzeuges die Innenfläche bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bearbeitung ein Istwert der Position des Bauteils relativ zum Bearbeitungswerkzeug mittels wenigstens eines Meßlaserstrahls gemessen, mit einem Sollwert verglichen und der Bauteilträger derart verfahren wird, bis der Istwert mit dem Sollwert bis auf eine vorbestimmte Differenz übereinstimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Meßlaserstrahl parallel zu einer Längsachse der Bohrung ausgerichtet wird und einen Flächenbereich wenigstens abschnittsweise abdeckt, der der Sollposition der Bohrung entspricht, wobei der Bauteilträger in diejenige Richtung Verfahren wird, in der sich eine Reflektion des Meßstrahlerstrahls an dem Bauteil ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abdecken des Flächenbereiches, in dem sich die Sollposition der Bohrung befindet, der Meßlaserstrahl entsprechend verfahren wird oder eine Mehrzahl von Meßlaserstrahlen im Bereich des Umfangs der Sollposition der Bohrung entsprechend angeordnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Ort, an dem sich eine Reflektion des Meßlaserstrahls ergibt, ein sich bzgl. der Bohrung radial erstreckender Vektor zugeordnet wird, wobei die Verfahrrichtung des Werkstückes aus einer Vektoraddition aller sich ergebender Verkoren bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Position des Bauteils ein Meßfehler bei der Bestimmung des Istwertes der Position des Bauteils ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Bearbeitungswerkzeug ein Laser- oder Elektronenstrahlbearbeitungswerkzeug verwendet wird.