DE10026372A1 - Verfahren zum Laserbearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung - Google Patents
Verfahren zum Laserbearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen BohrungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei mittels eines Laserstrahls auf einem Grundwerkstoff der Innenfläche Laserlegierungsbahnen bzw. Laserbeschichtungsbahnen ausgebildet werden. Hierbei wird der Laserstrahl derart über einen zu bearbeitenden Abschnitt der Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung geführt, daß wenigstens zwei separate, geschlossene, in axialer Richtung bzgl. der Bohrung voneinander beabstandete und in Umfangsrichtung innerhalb eines ringförmigen Zylindersegmentes der zylinderförmigen Bohrung mit vorbestimmter axialer Bahnhöhe h verlaufende Laserlegierungs- oder Laserbeschichtungsbahnen hergestellt werden, wobei die Bahnhöhe h kleiner ist als eine axiale Gesamthöhe des zu bearbeitenden Abschnittes der Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbearbeiten einer Innenfläche einer
zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-
Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei mittels eines Laserstrahls auf
einem Grundwerkstoff der Innenfläche Laserlegierungsbahnen bzw.
Laserbeschichtungsbahnen ausgebildet werden, 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.
In der EP 0 950 461 A2 wurde ferner vorgeschlagen, anders gestaltete Laserspuren in
Form von spiralförmigen Einzelspuren oder mäanderförmigen bzw. netzförmigen
Strukturen auszubilden. Hierbei erstreckt sich jedoch jede Einzelspur immer über den
vollständigen Bereich eines zu bearbeitenden Abschnitts der Oberfläche.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine Laserbeschichtungsrate
erhöht bzw. eine Bearbeitungsdauer verkürzt wird.
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 der Laserstrahl derart über einen zu
bearbeitenden Abschnitt der Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung geführt wird, daß
wenigstens zwei separate, geschlossene, in axialer Richtung bzgl. der Bohrung
voneinander beabstandete und in Umfangsrichtung innerhalb eines ringförmigen
Zylindersegmentes der zylinderförmigen Bohrung mit vorbestimmter, axialer Bahnhöhe h
verlaufende Laserlegierungs- oder Laserbeschichtungsbahnen hergestellt werden, wobei
die Bahnhöhe h kleiner als eine axiale Gesamthöhe des zu bearbeitenden Abschnittes
der Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung ist.
Dies hat den Vorteil, daß eine kostengünstige Laserbearbeitung mit geringerer
Bearbeitungszeit und reduzierter Wärmeeinbringung in das zu bearbeitende Bauteil
erzielt wird. Mittels der Mehrzahl von jeweils auf einen axialen Zylinderabschnitt der
Bohrung begrenzten Laserbahnen wird ein Kammersystem erstellt, welches
beispielsweise bei einem Kolben/Zylinder-System ggf. mit einem Schmiermittel, wie
beispielsweise Öl, gefüllt ist und somit die Reibung zwischen Kolbenringen und Laufbahn
verringert.
Dadurch, daß die Laserbahnen wellenförmig mit wenigstens zwei Wendepunkten
ausgebildet werden, wird beispielsweise bei einem Kolben/Zylinder-System an
entsprechenden Wendepunkten der Laserbahnen Öl zurückgehalten und der
Ölverbrauch konstant gehalten bzw. durch die Struktur eine Verringerung des
Ölverbrauchs erzielt.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Laserbahnen im Bereich der
Wendepunkte als Kreissegmente mit einem vorbestimmten Radius r und einer
vorbestimmten Breite b mit Geraden zwischen den Kreissegmenten ausgebildet, wobei
die Geraden um einen vorbestimmten Winkel α bzgl. einer Mittelachse der Bohrung
verkippt ausgebildet werden.
In einer alternativen Ausführungsform werden die Laserbahnen sinusförmig ausgebildet.
Beispielsweise ist die Innenfläche eine Lauffläche für einen Kolben in einem Zylinder,
wobei die Laserbahnen am OT und/oder UT des Kolbens und/oder zwischen OT und UT
in der dazwischenliegenden Lauffläche ausgebildet werden.
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 bevorzugte Ausführungsform erfindungsgemäß hergestellter Laserbahnen
in schematischer Schnittansicht und
Fig. 2 eine schematische Vergrößerung einer erfindungsgemäß hergestellten
Laserbahn.
Fig. 1 veranschaulicht schematisch einen Zylinder 10, dessen Innenfläche 12 eine
Laufbahn für einen nicht dargestellten Kolben zur Verfügung stellen soll. Hierzu werden
mittels eines Lasers Laserbahnen 14, 16 bzw. 18, 20 auf der Innenfläche 12 ausgebildet.
Hierbei wird im Bereich der Laserbahnen 14 bis 18, je nach Laserenergie, die Oberfläche
des Zylinders 10 mit einem Werkstoff beschichtet oder in das Grundmaterial des
Zylinders 10 ein Werkstoff einlegiert.
Die Herstellung der Laserbahnen 14 bis 20 mittels des Lasers erfolgt wellenförmig derart,
daß mehrere in axialer Richtung 22 voneinander beabstandete, separate Laserbahnen
entstehen, wobei sich eine Bahn jeweils innerhalb eines ringförmigen Zylindersegmentes
mit der axialen Höhe h 24 (Fig. 2) erstreckt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist eine
wellenförmige Laserbahn 14 untere und obere Wendepunkte 26 bzw. 28 auf, wobei die
Laserbahn 14 im Bereich dieser Wendepunkte 26, 28 als Kreissegment 30 mit
vorbestimmter Breite b 32 ausgebildet ist. Zwischen diesen Kreissegmenten 30 ist die
Laserbahn 14 als Gerade 34 ausgebildet, welche bezüglich einer Längsachse 36 des
Zylinders 10 um einen Winkel α 38 verkippt sind. Durch die wellenartige Ausbildung der
Laserbahnen ergibt sich eine Periodendauer T 40 bzw. eine entsprechende Frequenz
f = 1/T einer jeden wellenförmigen Laserbahn 14.
In Fig. 1 zeigen die oberen beiden Laserbahnen 14 und 16 eine Ausführungsform, bei
der jeweils axial benachbarte Laserbahnen um 180° gegeneinander versetzt ausgebildet
sind und um etwas mehr als die axiale Höhe bzw. Bahnhöhe h 24 (Fig. 2) gegeneinander
in axialer Richtung 22 versetzt sind.
Bei der alternativen Ausführungsform gemäß der unteren beiden Laserbahnen 18 und 20
sind axial benachbarte Laserbahnen zueinander in Phase ausgebildet, wobei die
Beabstandung in axialer Richtung 22 kleiner als die Bahnhöhe h 24 (Fig. 2) ist.
Durch entsprechende Variation der Amplitude bzw. Bahnhöhe h 24, eines Radius r 42
der Kreissegmente 30, des Winkels α 38, der Periodendauer T 40 und/oder der
Kreissegmentbreite b 32 ist ein entsprechend positiver Einfluß auf einen Formfüllgrad
von Kolbenringen des nicht dargestellten Kolbens erzielbar. Des weiteren ist ein positiver
Einfluß auf das Formfüllvermögen des Kolbenringes und somit auf die Auswirkungen
aufgrund eines Zylinder-Rohrverzuges erzielbar.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Laserlegierungs- oder Laserauftragsbahnen wird
vorzugsweise am oberen Totpunkt (OT) des Kolbens oder wahlweise am unteren
Totpunkt (UT) und/oder in der dazwischen liegenden Lauffläche 12 ausgebildet.
Durch die unteren und oberen Wendepunkte 26 bzw. 28 der Laserbahnen 14 bis 20 wird
Öl zurückgehalten und ein Ölverbrauch konstant gehalten. Durch die erfindungsgemäße
Struktur wird somit eine Verbesserung bezüglich des Ölverbrauchs erzielt. Die
erfindungsgemäß ausgebildeten, beispielsweise n (n < 2) Laserbahnen, bilden dabei
beispielsweise ein Kammersystem, welches durch Öl gefüllt ist und somit die Reibung
zwischen Kolbenringen und Laufbahn 12 verringert.
10
Zylinder
12
Innenfläche
14
Laserbahn
16
Laserbahn
18
Laserbahn
20
Laserbahn
22
axiale Richtung
24
axiale Höhe/Bahnhöhe
26
unterer Wendepunkt
28
oberer Wendepunkt
30
Kreissegment
32
Breite der Kreissegmente
34
Gerade
36
Längsachse
38
Winkel
40
Periodendauer
42
Radius
Claims (8)
1. Verfahren zum Laserbearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung
eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer
Brennkraftmaschine, wobei mittels eines Laserstrahls auf einem Grundwerkstoff der
Innenfläche Laserlegierungsbahnen bzw. Laserbeschichtungsbahnen ausgebildet
werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl derart über einen zu
bearbeitenden Abschnitt der Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung geführt wird,
daß wenigstens zwei separate, geschlossene, in axialer Richtung bzgl. der Bohrung
voneinander beabstandete und in Umfangsrichtung innerhalb eines ringförmigen
Zylindersegmentes der zylinderförmigen Bohrung mit vorbestimmter, axialer
Bahnhöhe (h) verlaufende Laserlegierungs- oder Laserbeschichtungsbahnen
hergestellt werden, wobei die Bahnhöhe (h) kleiner ist, als eine axiale Gesamthöhe des
zu bearbeitenden Abschnittes der Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbahnen
wellenförmig mit wenigstens zwei Wendepunkten ausgebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbahnen im
Bereich der Wendepunkte als Kreissegmente mit einem vorbestimmten Radius (r) und
einer vorbestimmten Breite (b) ausgebildet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbahnen
zwischen den Kreissegmenten als Geraden ausgebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geraden um einen
vorbestimmten Winkel (α) bzgl. einer Mittelachse der Bohrung verkippt ausgebildet
werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbahnen
sinusförmig ausgebildet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß axial
benachbarte Laserbahnen in Phase oder phasenverschoben, beispielsweise um
180 Grad, ausgebildet werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenfläche eine Lauffläche für einen Kolben in einem Zylinder ist, wobei die
Laserbahnen am OT und/oder UT des Kolbens und/oder zwischen OT und UT in der
dazwischenliegenden Lauffläche ausgebildet werden.
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- 2000-05-27 DE DE10026372A patent/DE10026372B4/de not_active Expired - Fee Related
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