DE10032082A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen BohrungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche (10) einer zylinderförmigen Bohrung (14) eines Bauteils (12), insbesondere einer Zylinderbohrung eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer Umlenkoptik (16), welche einen Laserstrahl (20) in die Bohrung (14) führt und mittels eines in einem Strahlengang des Laserstrahls (20) angeordneten Umlenkspiegels (18) einer Fokussierlinse (24) auf die Innenfläche (10) der zylinderförmigen Bohrung (14) richtet. Hierbei ist wenigstens eine Fokussierlinse (24) im Strahlengang der Umlenkoptik (20) nach dem Umlenkspiegel (18) angeordnet.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche einer
zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere einer Zylinderbohrung eines
Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer Umlenkoptik,
welche einen Laserstrahl in die Bohrung führt und mittels eines in einem Strahlengang
des Laserstrahls angeordneten Umlenkspiegels sowie einer Fokussierlinse auf die
Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung richtet, gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bearbeiten einer
Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines
Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einem Laserstrahl, der
in die Bohrung geführt und auf die Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung gerichtet
wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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.
Eine beispielsweise aus der EP 0 950 461 A2 bekannte Laseroptik hat jedoch den
Nachteil, daß bei einem Wechsel auf einen anderen Bohrungsdurchmesser der zu
bearbeitenden Zylinderbohrung oder bei einer Änderung der Bearbeitungstiefe
(Fokusverlagerung) zur Anpassung an die geänderten Abmessungen die Umlenkoptik
vollständig zerlegt werden muß, um die Fokussierlinse auszutauschen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laseroptik der
obengenannten Art dahingehend zu verbessern, daß diese universeller und
kostengünstiger einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung 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 bei einer Vorrichtung der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß
wenigstens eine Fokussierlinse im Strahlengang der Umlenkoptik nach dem
Umlenkspiegel angeordnet ist.
Dies hat den Vorteil, daß mit einer einzigen Umlenkoptik und ohne diese vollständig
zerlegen zu müssen durch einfaches Austauschen der Fokussierlinse eine schnelle und
einfache Anpassung an unterschiedliche Durchmesser von zu bearbeitenden
Zylinderbohrungen oder unterschiedliche Bearbeitungstiefen erzielt werden kann. Somit
können Bohrungen mit verschiedenen Durchmessern in kürzerer Zeit bearbeitet werden.
Ferner ergibt sich eine längere Standzeit des Umlenkspiegels, da dieser nicht mehr den
bereits fokussierten Laserstrahl umlenken muß und daher thermisch weniger belastet ist.
Für eine gleichzeitige Bearbeitung der Innenfläche an mehreren Stellen mit
entsprechender Reduzierung der Bearbeitungszeit sind mehrere Laserstrahlen und
entsprechend mehrere Fokussierlinsen vorgesehen. Zweckmäßigerweise werden die
mehreren Laserstrahlen dadurch erzeugt, daß mehrere Laser vorgesehen sind oder ein
den Laserstrahl in zwei oder mehr Strahlen aufspaltende Optik vorgesehen ist. Diese
Optik ist beispielsweise durch eine entsprechende Ausbildung des Umlenkspiegels
(Prisma) oder der Fokussierlinse (Mehrflächenschliff) realisiert.
Um ein Verschmutzen der Fokussierlinse durch den Bearbeitungsprozeß an der
Oberfläche zu vermeiden, ist in besonders vorteilhafter Weise im Strahlengang nach der
Fokussierlinse eine optisch durchlässige Schutzeinrichtung, insbesondere ein
Schutzglas, angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen
Optikträger auf, wobei die Fokussierlinse an einem Umfang des Optikträger angeordnet
ist.
Ferner ist es bei einem Verfahren der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß zuerst
der unfokussierte Laserstrahl derart umgelenkt wird, daß er auf die Innenwand gerichtet
ist und anschließend fokussiert wird.
Dies hat den Vorteil, daß mit einer einzigen Umlenkoptik und ohne diese vollständig
zerlegen zu müssen durch einfaches Austauschen der Fokussierlinse ein schnelle und
einfache Anpassung an unterschiedliche Durchmesser von zu bearbeitenden
Zylinderbohrungen oder unterschiedliche Bearbeitungstiefen erzielt werden kann. Somit
können Bohrungen mit verschiedenen Durchmessern in kürzerer Zeit bearbeitet werden.
Ferner ergibt sich eine längere Standzeit des Umlenkspiegels, da dieser nicht mehr den
bereits fokussierten Laserstrahl umlenken muß und daher thermisch weniger belastet ist.
Für eine gleichzeitige Bearbeitung der Innenfläche an mehreren Stellen mit
entsprechender Reduzierung der Bearbeitungszeit wird der Laserstrahl in mehrere
Einzelstrahlen aufgespaltet, wobei jeder Einzelstrahl erst nach der Umlenkung in
Richtung der Innenwand fokussiert 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 Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen Figur eine
bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die in der einzigen Figur dargestellte bevorzugte Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche 10 eines Bauteils 12
mit zylindrischer Bohrung 14 umfaßt eine Umlenkoptik 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 Umlenkoptik 16 zum Überstreichen eines entsprechenden
zu bearbeitenden Bereiches der Innenfläche 10 in Pfeilrichtung 22 rotiert und entlang
einer Symmetrieachse 23 der Bohrung 14 vorgeschoben wird.
Der Laserstrahl wird vor dem Umlenkspiegel 18 nicht fokussiert, d. h. den Umlenkspiegel
trifft ein noch nicht fokussierter Laserstrahl 20. Erfindungsgemäß ist im Strahlengang
nach dem Umlenkspiegel 18 eine Fokussierlinse 24 angeordnet, welche den Laserstrahl
in der dargestellten Weise auf die zu bearbeitende Innenfläche 10 fokussiert, so daß ein
Brennpunkt (Fokus) 26 im Bereich der Oberfläche auf die Innenfläche 10 auftrifft. Hierbei
wird durch die Lage des Fokus auf der Oberfläche oder entsprechend darunter eine
Bearbeitungstiefe eingestellt.
Die Fokussierlinse 24 ist seitlich an einem Optikträger angeordnet und mittels eines nicht
dargestellten Schutzglases von außen geschützt. Diese erfindungsgemäße Anordnung
erhöht die Standzeit des Umlenkspiegels 18, da nicht ein stark fokussierter Laserstrahl
20 mit hoher Intensität umgelenkt werden muß. In der dargestellten Ausführungsform
befindet sich im Strahlengang vor dem Umlenkspiegel 18 ist keine Fokussierlinse. Dies
ist lediglich beispielhaft. Es kann zusätzlich auch vor dem Umlenkspiegel 18 eine
Fokussierlinse angeordnet sein, welche beispielsweise lediglich schwach fokussiert und
die endgültige Fokussierung mit der nach dem Umlenkspiegel 18 vorgesehenen
Fokussierlinse 24 erfolgt.
Durch den Einsatz eines entsprechend gefertigten Umlenkspiegels 18, (beispielsweise in
der Art eines Prismas) und Vorlage eines leistungsstarken Lasers ist es in einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, den Laserstrahl 20 in mehrere
Einzelstrahlen aufzuspalten und durch mehrere Fokussierlinsen 24 an den jeweiligen
Bearbeitungsort zu lenken bzw. zu fokussieren. Dadurch wird eine Reduzierung der
Bearbeitungszeit erzielt.
Durch die gute Zugänglichkeit der außen liegenden Fokussierlinse 24 kann diese schnell
gegen eine andere Fokussierlinse 24 gewechselt werden, ohne daß dazu die gesamte
Umlenkoptik 16 zerlegt werden muß. Dadurch ist es möglich, sehr schnell durch
einfachen Wechsel der Fokussierlinse 24 zur Bearbeitung einer Bohrung mit anderem
Durchmesser zu wechseln oder die Ein- bzw. Aufschmelztiefe zu ändern
(Fokusverlagerung).
10
Innenfläche
12
Bauteil
14
Bohrung
16
Umlenkoptik
18
Umlenkspiegel
20
Laserstrahl
22
Pfeil
23
Symmetrieachse der Bohrung
24
Fokussierlinse
26
Brennpunkt (Fokus)
Claims (10)
1. Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche (10) einer zylinderförmigen
Bohrung (14) eines Bauteils (12), insbesondere einer Zylinderbohrung eines
Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer
Umlenkoptik (16), welche einen Laserstrahl (20) in die Bohrung (14) führt und
mittels eines in einem Strahlengang des Laserstrahls (20) angeordneten
Umlenkspiegels (18) sowie einer Fokussierlinse (24) auf die Innenfläche (10) der
zylinderförmigen Bohrung (14) richtet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens
eine Fokussierlinse (24) im Strahlengang der Umlenkoptik (20) nach dem
Umlenkspiegel (18) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Laserstrahlen (20) und entsprechend mehrere Fokussierlinsen (24) vorgesehen
sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laser
vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine den
Laserstrahl (20) in zwei oder mehr Strahlen aufspaltende Optik vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Umlenkspiegel (18) als aufspaltende Optik, insbesondere als Facettenspiegel
oder Prisma, ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fokussierlinse (24) als aufspaltende Optik, insbesondere mehrflächig geschliffen,
ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß im Strahlengang nach der Fokussierlinse (24) eine optisch
durchlässige Schutzeinrichtung, insbesondere ein Schutzglas, angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß diese einen Optikträger aufweist und die
Fokussierlinse (24) an einem Umfang des Optikträger angeordnet ist.
9. Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung
eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer
Brennkraftmaschine, mit einem Laserstrahl, der in die Bohrung geführt und auf
die Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung gerichtet wird, dadurch
gekennzeichnet, daß zuerst der unfokussierte Laserstrahl derart umgelenkt wird,
daß er auf die Innenwand gerichtet ist und anschließend fokussiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl in
mehrere Einzelstrahlen aufgespaltet wird, wobei jeder Einzelstrahl erst nach der
Umlenkung in Richtung der Innenwand fokussiert wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10032082A DE10032082A1 (de) | 2000-07-01 | 2000-07-01 | Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung |
Applications Claiming Priority (1)
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DE10032082A DE10032082A1 (de) | 2000-07-01 | 2000-07-01 | Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10032082A1 true DE10032082A1 (de) | 2002-01-10 |
Family
ID=7647472
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
DE10032082A Ceased DE10032082A1 (de) | 2000-07-01 | 2000-07-01 | Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung |
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Country | Link |
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