DE10023792A1

DE10023792A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung

Info

Publication number: DE10023792A1
Application number: DE10023792A
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 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche (10) einer zylinderförmigen Bohrung (14) eines Bauteils (12), insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer Umlenkoptik (16), welche einen Laserstrahl (20) in die Bohrung (14) führt, wobei eine Einrichtung zum Rotieren der Umlenkoptik (16) vorgesehen ist. Hierbei ist zusätzlich eine Einrichtung zum Bewegen des Bauteils (12) in Richtung einer Längsachse (24) der zylinderförmigen Bohrung (14) relativ zur Umlenkoptik (16) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium- Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei der Laserstrahl mittels einer Umlenkoptik in die Bohrung geführt und die Umlenkoptik derart rotiert wird, daß ein vorbestimmter Bereich der Innenfläche der Bohrung von dem Laserstrahl überstrichen wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer Umlenkoptik, welche einen Laserstrahl in die Bohrung führt, wobei eine Einrichtung zum Rotieren der Umlenkoptik vorgesehen ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

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. Die für derartige Verfahren eingesetzten Laserlanzen mit Teleskopstangen oder Laserlanzenführungen durch Roboter sind jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv.

Aus der WO 98/41356 ist es ferner bekannt, die Laseroptik lediglich axial vorzuschieben und nicht zu drehen, wobei statt dessen der zu bearbeitenden Körper gedreht wird. Nachteilig ist hier jedoch, daß Unwuchten beim Drehen des zu bearbeitenden Körpers mit einer komplizierten Mechanik ausgeglichen werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der obengenannten Art zu vereinfachen und einen apparativen Aufwand zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Vorrichtung der o. g. Art mit den in Anspruch 4 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Dazu ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Bauteil während der Bearbeitung bei rotierender Umlenkoptik in Richtung einer Längsachse der zylinderförmigen Bohrung relativ zur Umlenkoptik bewegt wird.

Dies hat den Vorteil, daß aufwendige Mechanismen für eine Hub. bzw. Senkbewegung der rotierenden Umlenkoptik entbehrlich sind, so daß die Laserbearbeitung der Oberfläche kostengünstiger realisierbar ist.

Eine weitere Verkürzung der Laserbearbeitungszeit erzielt man dadurch, daß zusätzlich das Bauteil gegensinnig zur Umlenkoptik rotiert wird. Ferner wird die Umlenkoptik in Richtung einer Längsachse der zylinderförmigen Bohrung stationär gehalten.

Bei einer Vorrichtung der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß zusätzlich eine Einrichtung zum Bewegen des Bauteils in Richtung einer Längsachse der zylinderförmigen Bohrung relativ zur Umlenkoptik vorgesehen ist.

Eine weitere Verkürzung der Bearbeitungszeit erzielt man dadurch, daß ferner eine Einrichtung zum Drehen des Bauteil gegensinnig zur Umlenkoptik vorgesehen ist. Ferner ist die Umlenkoptik in Richtung der Längsachse der zylinderförmigen Bohrung stationär bzw. arretiert angeordnet.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen Figur eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche 10 eines Bauteils 12 mit zylindrischer Bohrung 14 umfaßt eine Laserlanze 16, welche mittels eines Umlenkspiegels 18 einen Laserstrahl 20 in die Bohrung 14 hinein und auf die Innenfläche 10 führt. Der Laserstrahl 20 führt dabei eine entsprechende Oberflächenbehandlung der Innenfläche 10 aus, wobei die Laserlanze 16 zum Überstreichen eines entsprechenden zu bearbeitenden Bereiches der Innenfläche 10 in Pfeilrichtung 22 rotiert.

Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß bei rotierender Laserlanze 16 das Bauteil 12 parallel zu einer Längsachse 24 der Bohrung 14 relativ zur Laserlanze 16 in Pfeilrichtung 28 vorgeschoben wird bzw. eine Hub-/Senkbewegung ausführt.

Mit anderen Worten erfolgt ein Tiefenvorschub des Laserstrahls 20 innerhalb der Bohrung 14 nicht, wie herkömmlich üblich, durch Vorschub der Laserlanze 16 selbst, sondern durch entsprechenden Vorschub des Bauteils 12 in Pfeilrichtung 26. Das Anheben bzw. Absenken des Bauteils 12 in Pfeilrichtung 26 ist dabei mit der Umdrehungsgeschwindigkeit der Laserlanze 16 in Pfeilrichtung 22 gekoppelt, so daß der Laserstrahl 20 auf der Innenfläche 10 eine Spirale beschreibt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zusätzlich das Bauteil 12 ebenfalls um die Längsachse 24 der Bohrung 14 in Pfeilrichtung 28 gedreht.

Für die Hub-/Senkbewegung des Bauteils 12 in Pfeilrichtung 26 bzw. für die optionale Drehbewegung des Bauteiles 12 in Pfeilrichtung 28 sind jeweils entsprechende Einrichtungen vorgesehen, die einen nicht dargestellten Bauteilträger entsprechend heben und senken bzw. drehen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Innenfläche

12

Bauteil

14

Bohrung

16

Laserlanze

18

Umlenkspiegels

20

Laserstrahl

22

Pfeil

24

Längsachse

26

Pfeil

28

Pfeil

Claims

1. Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei der Laserstrahl mittels einer Umlenkoptik in die Bohrung geführt und die Umlenkoptik derart rotiert wird, daß ein vorbestimmter Bereich der Innenfläche der Bohrung von dem Laserstrahl überstrichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil während der Bearbeitung bei rotierender Umlenkoptik in Richtung einer Längsachse der zylinderförmigen Bohrung relativ zur Umlenkoptik bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich das Bauteil gegensinnig zur Umlenkoptik rotiert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkoptik in Richtung der Längsachse der zylinderförmigen Bohrung stationär gehalten wird.

4. Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche (10) einer zylinderförmigen Bohrung (14) eines Bauteils (12), insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer Umlenkoptik (16), welche einen Laserstrahl (20) in die Bohrung (14) führt, wobei eine Einrichtung zum Rotieren der Umlenkoptik (16) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Einrichtung zum Bewegen des Bauteils (12) in Richtung einer Längsachse (24) der zylinderförmigen Bohrung (14) relativ zur Umlenkoptik (16) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Einrichtung zum Drehen des Bauteils (12) gegensinnig zur Umlenkoptik (16) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkoptik (16) in Richtung der Längsachse (24) der zylinderförmigen Bohrung (14) stationär bzw. arretiert angeordnet ist.