DE10026372B4

DE10026372B4 - Verfahren zum Laserbearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung

Info

Publication number: DE10026372B4
Application number: DE10026372A
Authority: DE
Inventors: Rolf Heinemann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-05-27
Filing date: 2000-05-27
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2020-05-28
Also published as: DE10026372A1

Abstract

Verfahren zum Laserbearbeiten einer Innenfläche (12) einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei mittels eines Laserstrahls auf einem Grundwerkstoff der Innenfläche (12) Laserlegierungsbahnen bzw. Laserbeschichtungsbahnen (14, 16; 18, 20) ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl derart über einen zu bearbeitenden Abschnitt der innenfläche (12) der zylinderförmigen Bohrung geführt wird, daß wenigstens zwei separate, geschlossene, in axialer Richtung (22) bzgl. der Bohrung voneinander beabstandete und in Umfangsrichtung innerhalb eines ringförmigen Zylindersegmentes der zylinderförmigen Bohrung mit vorbestimmter axialer Bahnhöhe h (24) verlaufende Laserlegierungs- oder Laserbeschichtungsbahnen (14, 16; 18, 20) hergestellt werden, wobei die Bahnhöhe h (24) kleiner ist als eine axiale Gesamthöhe des zu bearbeitenden Abschnittes der Innenfläche (12) der zylinder-förmigen 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 3781 , 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
1 eine bevorzugte Ausführungsform erfindungsgemäß hergestellter Laserbahnen in schematischer Schnittansicht und
2 eine schematische Vergrößerung einer erfindungsgemäß hergestellten Laserbahn.
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 (2) erstreckt. Wie aus 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 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 (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 (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

Verfahren zum Laserbearbeiten einer Innenfläche (12) einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, wobei mittels eines Laserstrahls auf einem Grundwerkstoff der Innenfläche (12) Laserlegierungsbahnen bzw. Laserbeschichtungsbahnen (14, 16; 18, 20) ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl derart über einen zu bearbeitenden Abschnitt der innenfläche (12) der zylinderförmigen Bohrung geführt wird, daß wenigstens zwei separate, geschlossene, in axialer Richtung (22) bzgl. der Bohrung voneinander beabstandete und in Umfangsrichtung innerhalb eines ringförmigen Zylindersegmentes der zylinderförmigen Bohrung mit vorbestimmter axialer Bahnhöhe h (24) verlaufende Laserlegierungs- oder Laserbeschichtungsbahnen (14, 16; 18, 20) hergestellt werden, wobei die Bahnhöhe h (24) kleiner ist als eine axiale Gesamthöhe des zu bearbeitenden Abschnittes der Innenfläche (12) der zylinder-förmigen Bohrung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbahnen (14, 16; 18, 20) wellenförmig mit wenigstens zwei Wendepunkten (26, 28) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbahnen (14, 16; 18, 20) im Bereich der Wendepunkte (26, 28) als Kreissegmente (30) mit einem vorbestimmten Radius r (42) und einer vorbestimmten Breite b (32) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbahnen zwischen den Kreissegmenten (30) als Geraden (34) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geraden (34) um einen vorbestimmten Winkel α (38) bzgl. einer Mittelachse (36) der Bohrung verkippt ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbahnen sinusförmig ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß axial benachbarte Laserbahnen (14, 16; 18, 20) in Phase oder Phasenverschoben, beispielsweise um 180 Grad, ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (12) eine Lauffläche für einen Kolben in einem Zylinder ist, wobei die Laserbahnen (14, 16; 18, 20) am OT (28) und/oder UT (26) des Kolbens und/oder zwischen OT (28) und UT (26) in der dazwischenliegenden Lauffläche ausgebildet werden.