DE10036125A1

DE10036125A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten einer zylindrischen Innenwandfläche einer Bohrung

Info

Publication number: DE10036125A1
Application number: DE10036125A
Authority: DE
Inventors: Klaus Faerber; Rolf Heinemann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2002-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten einer zylindrischen Innenwandfläche (10) einer Bohrung (12), vorzugsweise einer Lauffläche eines Kolbens auf einer Innenfläche (10) einer Zylinderbohrung (12) eines Zylinderkurbelgehäuses (13) einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Leichtmetall- oder Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer Umlenkoptik (14), welche einen Laserstrahl (16) eines Lasers (18) in die Bohrung (12) führt und auf einen Bearbeitungsort (20) der Innenwandfläche (10) fokussiert, wobei die Umlenkoptik (14) derart rotiert, daß der Bearbeitungsort (20) einen vorbestimmten Bereich der Innenwandfläche (10) überstreicht. Hierbei ist eine Einrichtung (30, 32, 34) zum Aufnehmen einer von dem Bearbeitungsort (20) ausgehenden Prozeßstrahlung (28) sowie eine der Einrichtung (30, 32, 34) zum Aufnehmen der Prozeßstrahlung (28) nachgeschaltete Einrichtung (36, 38, 40) zum Auswerten der Prozeßstrahlung (28) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer zylindrischen Innenwandfläche einer Bohrung, vorzugsweise einer Lauffläche eines Kolbens auf einer Innenfläche einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Leichtmetall- oder Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei ein Laserstrahl eines Lasers mittels einer Umlenkoptik in die Bohrung geführt und auf einen Bearbeitungsort der Innenwandfläche fokussiert wird, wobei die Umlenkoptik derart rotiert wird, daß der Bearbeitungsort einen vorbestimmten Bereich der Innenwandfläche überstreicht, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer zylindrischen Innenwandfläche einer Bohrung, vorzugsweise einer Lauffläche eines Kolbens auf einer Innenfläche einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Leichtmetall- oder Aluminium- Zylinderkurbelgehäuses, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer Umlenkoptik, welche einen Laserstrahl eines Lasers in die Bohrung führt und auf einen Bearbeitungsort der Innenwandfläche fokussiert, wobei die Umlenkoptik derart rotiert, daß der Bearbeitungsort einen vorbestimmten Bereich der Innenwandfläche überstreicht, 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 keramischer 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 naheutektische 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 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 Qualitätsprüfung der derart hergestellten Oberflächenveredelung kann erst nach Beendigung der Bearbeitung durchgeführt. Dies hat jedoch den Nachteil, daß Fehler bei der Oberflächenbearbeitung nicht erkannt werden können, so daß es zu hohen Ausschußzahlen kommt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der obengenannten Art bzgl. der Qualität der Oberflächenveredelung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der oben genannten Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Vorrichtung der oben genannten Art mit den in Anspruch 9 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Dazu ist es bei einem Verfahren der oben genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine von dem Bearbeitungsort ausgehende Prozeßstrahlung aufgenommen und zur Beurteilung einer Qualität der Bearbeitung ausgewertet wird.

Dies hat den Vorteil, daß bereits während des Bearbeitungsvorganges selbst im Onlineverfahren eine Qualitätsprüfung der Oberflächenbearbeitung erfolgt und so bereits während der Bearbeitung etwaige Mängel, beispielsweise bei den Einstellungen der Prozeßparameter, behoben werden können. Gleichzeitig können Defekte in den Strahlführungskomponenten rechtzeitig erkannt und behoben werden. Hierdurch wird eine Ausschußzahl erheblich reduziert.

Das Beheben von Mängeln der Oberflächenbearbeitung erfolgt beispielsweise durch Veränderung von Prozeßparametern, wie beispielsweise Fokuslänge, Strahlintensität, Strahlausrichtung o. ä.. In Extremfällen werden Mängel in der Strahlführung erkannt, so daß der Bearbeitungsprozeß zum Auswechseln von Strahlführungskomponenten, wie beispielsweise Umlenkspiegel oder Fokussierlinse, unterbrochen wird.

Beispielsweise wird die Prozeßstrahlung durch die Umlenkoptik aus der Bohrung heraus und bevorzugt parallel zum Laserstrahl oder durch den Laserstrahl geführt.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Auswertung der Prozeßstrahlung mittels eines Computersystems, wobei bevorzugt die aufgenommene Prozeßstrahlung mit Referenzdaten verglichen wird.

Als Prozeßstrahlung wird beispielsweise Wärmestrahlung, Metalldampfleuchten, Plasmastrahlung und/oder eine von dem Bearbeitungsort reflektierte Strahlung einer zusätzlichen monochromatischen Strahlungsquelle aufgenommen.

Ferner ist es bei einer Vorrichtung der oben genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine Einrichtung zum Aufnehmen einer von dem Bearbeitungsort ausgehenden Prozeßstrahlung sowie eine der Einrichtung zum Aufnehmen der Prozeßstrahlung nachgeschaltete Einrichtung zum Auswerten der Prozeßstrahlung vorgesehen ist.

Beispielsweise ist die Einrichtung zum Aufnehmen der Prozeßstrahlung in eine Laserstrecke der Umlenkoptik integriert und umfaßt einen optischen Sensor, der beispielsweise in den Laser integriert und dem bevorzugt ein optischer Filter vorgeschaltet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der optische Sensor als CCD-Kamera ausgebildet, wobei bevorzugt der CCD-Kamera eine Bildverarbeitung nachgeschaltet ist.

Zum Auswerten der Prozeßstrahlung ist bevorzugt ein Rechnersystem vorgesehen.

Die aufgenommene und ausgewertete Prozeßstrahlung ist beispielsweise Wärmestrahlung, Metalldampfleuchten, Plasmastrahlung und/oder eine von dem Bearbeitungsort reflektierte Strahlung einer zusätzlichen monochromatischen Strahlungsquelle.

Zum sofortigen Modifizieren des Prozesses bei mangelhafter Qualität der Oberflächenbearbeitung ist die Einrichtung zum Auswerten der Prozeßstrahlung mit einer Einrichtung zum Verändern von Prozeßparametern verbunden. Diese Prozeßparameter sind beispielsweise Fokuslänge, Strahlintensität und/oder Strahlausrichtung.

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 zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in Fig. 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten einer zylindrischen Innenwandfläche 10 einer Bohrung 12 eines Bauteils 13, beispielsweise einer Zylinderbohrung 12 in einem Zylinderkurbelgehäuse 13, umfaßt eine Umlenkoptik 14, welche einen Laserstrahl 16 eines Lasers 18 in die Bohrung 12 führt und auf einen Bearbeitungsort 20 der Innenwandfläche 10 fokussiert. Hierbei rotiert die Umlenkoptik in Pfeilrichtung 22 und wird entlang einer Symmetrieachse 23 der Bohrung 12 derart vorgeschoben, daß der Bearbeitungsort 20 einen vorbestimmten Bereich der Innenwandfläche 12 überstreicht. Die Umlenkoptik 14 umfaßt Umlenkspiegel 24, 25 und eine nicht dargestellte Fokussierlinse. Im Laser 18 ist ebenfalls ein Umlenkspiegel 26 angeordnet.

Eine von dem Bearbeitungsort 20 ausgehende Prozeßstrahlung 28 wird durch die Umlenkoptik 14 entlang des Laserstrahls 16 aber in entgegengesetzter Richtung geführt und aufgenommen. Hierzu ist beispielsweise ein erster Sensor 30 oberhalb der Umlenkoptik 14 vorgesehen und der Umlenkspiegel 25 halbdurchlässig (ggf. Frequenzselektiv) ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist ein zweiter Sensor 32 im Laser 18 vorgesehen, wobei der Umlenkspiegel 26 halbdurchlässig (ggf. Frequenzselektiv) ausgebildet ist. Zusätzlich ist vor dem zweiten Sensor 32 ein optischer Filter 34 im Strahlengang der Prozeßstrahlung 28 angeordnet.

Den Sensoren 30, 32 ist eine Einrichtung zum Auswerten der Prozeßstrahlung nachgeordnet. In der einzigen Figur ist dies lediglich beispielhaft für den zweiten Sensor 32 dargestellt. Diesem ist ein Verstärker 36, ein Filter 38 und ein Rechner 40 nachgeordnet. Bei 42 ist ggf. eine visuelle Darstellung, wie beispielsweise des Prozeßleuchtens von der Bearbeitungsstelle 20 oder ein Abbild der Bearbeitungsstelle 20 selbst, vorgesehen.

Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung der Laserbearbeitung der Innenfläche 10 der Bohrung 12 steht ein Prozeßüberwachungssystem zur Verfügung, das verändertes Prozeßleuchten 28 während der Durchführung der Oberflächenbearbeitung, d. h. mit anderen Worten "Online", detektiert und entsprechende, aus derartigen Veränderungen abgeleitete Fehler der Oberflächenbearbeitung meldet. Dieses Prozeßüberwachungs system ist in die Laserstrecke integriert.

Entscheiden für die Qualität der Oberflächenveredelung ist nicht die im Laser 18 erzeugte sondern die ausschließlich am Bearbeitungsort 20 eingekoppelte Strahlung bzw. die am Bearbeitungsort 20 vorliegende Leistungsdichte. Es wird die Prozeßstrahlung, wie Wärmestrahlung, Metalldampfleuchten oder Plasmastrahlung im entsprechenden Frequenzbereich erfaßt und über den Filter 34 mit in den Laser 18 integrierten Sensor 32 von der Auswertestation 36, 38, 40 ausgewertet.

Heutige moderne Festkörperlaser, wie beispielsweise Nd:YAG-Laser, beinhalten eine Aufnahme für einen optischen Filter, der erfindungsgemäß zur Aufnahme des Filters 34 und des Sensors 32 dient. Wesentlich bei dieser Online-Messung ist, daß die Frequenz des Prozeßleuchtens 28 beim Durchgang durch den Laser 18, d. h. durch den Nd:YAG- Spiegel 26 und den optischen Filter 34 zum Sensor 32 hin, nicht verändert wird (Transmission). Über den Verstärker 36 und den nochmaligen Filter 38 werden die entsprechenden Informationen zum Rechner 40 übertragen, der die Daten durch Modulation aufbereitet und mit entsprechenden Referenzdaten vergleicht. Durch diesen Abgleich werden Fehler sofort erkannt, so daß der Fertigungsprozeß bei Vorliegen eines Fehlers sofort nachgeregelt werden kann.

Da die Erkennung von Fehlern durch rechnergestützte Bewertung des Ist-Signals und seine Abweichung von den Referenzdaten sofort festgestellt werden, ergibt sich ein verminderter Ausschuß von bearbeiteten Teilen. Erkannte Fehler sind hierbei beispielsweise nicht ausreichende Intensität der Strahlung am Bearbeitungsort 20 oder ein verschmutztes oder gebrochenes Schutzglas. Durch entsprechendes Nachregeln der Prozeßparameter oder kurzfristiges Unterbrechen der Bearbeitung und Ersetzen eines gebrochenen Schutzglases, Umlenkspiegels oder einer Fokussierlinse, kann der Laseroberflächenveredelungsprozeß sofort korrigiert werden.

Die optischen Sensoren 30 bzw. 32 sind alternativ als Kamera, insbesondere CCD- Kamera, mit nachfolgender Bildverarbeitung ausgebildet. Dabei wird die Bearbeitungszone mit einer zusätzlichen monochromatischen Lichtquelle ausgeleuchtet und das helle Prozeßleuchten frequenzselektiv überstrahlt. Mittels geeigneter Filtertechnik wird dann ein überstrahlungsfreies und hochauflösendes Online-Bild der Laseroberflächenveredelung generiert. Neben der Qualitätsüberwachung kann auch hier eine Steuerung des Prozesses erfolgen, z. B. Erhöhung eines Laservorschubes oder Erhöhung einer Pulverzugabe.

Die erfindungsgemäße Prozeßüberwachung und Prozeßkontrolle gibt Auskunft über die Einschmelztiefe, Schmelzgrad, Pulverzuführung, Laserintensität am Arbeitsort, Raupenform, Fehler in der Raupe, verschmutztes oder gebrochenes Schutzglas, Standzeiten der Umlenkspiegel usw. Alle diese Prozeßparameter werden somit online, d. h. während des Bearbeitungsprozesses selbst, überwacht und ggf. korrigiert.

Ggf. ist der Computer 40 mit einer nicht dargestellten Einrichtung zum Verändern von Prozeßparametern, wie beispielsweise Strahlintensität, Vorschub/Rotation der Umlenkoptik, o. ä., verbunden, so daß der Rechner 40 automatisch eine Anpassung der Prozeßparameter durchführen kann.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Innenwandfläche

12

Bohrung/Zylinderbohrung

13

Bauteil/Zylinderkurbelgehäuse

14

Umlenkoptik

16

Laserstrahl

18

Laser

20

Bearbeitungsort

22

Drehrichtung der Laseroptik

23

Symmetrieachse der Bohrung

24

Umlenkspiegel (Umlenkoptik)

25

Umlenkspiegel (Umlenkoptik)

26

Umlenkspiegel (Laser)

28

Prozeßstrahlung

30

erster Sensor

32

zweiter Sensor

34

optischer Filter

36

Verstärker

38

Filter

40

Rechner

42

visuelle Darstellung

Claims

1. Verfahren zum Bearbeiten einer zylindrischen Innenwandfläche einer Bohrung, vorzugsweise einer Lauffläche eines Kolbens auf einer Innenfläche einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Leichtmetall- oder Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, wobei ein Laserstrahl eines Lasers mittels einer Umlenkoptik in die Bohrung geführt und auf einen Bearbeitungsort der Innenwandfläche fokussiert wird, wobei die Umlenkoptik derart rotiert wird, daß der Bearbeitungsort einen vorbestimmten Bereich der Innenwandfläche überstreicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine von dem Bearbeitungsort ausgehende Prozeßstrahlung aufgenommen und zur Beurteilung einer Qualität der Bearbeitung ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Prozeßstrahlung Prozeßparameter, wie beispielsweise Fokuslänge, Strahlintensität, Strahlausrichtung, verändert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungsprozeß in Abhängigkeit von der Prozeßstrahlung zum Auswechseln von Strahlführungskomponenten, wie beispielsweise Umlenkspiegel oder Fokussierlinse, unterbrochen wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßstrahlung durch die Umlenkoptik aus der Bohrung heraus geführt wird.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßstrahlung parallel zum Laserstrahl oder durch den Laserstrahl aus der Bohrung heraus geführt wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßstrahlung von einem Computersystem ausgewertet wird.

7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgenommene Prozeßstrahlung mit Referenzdaten verglichen wird.

8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßstrahlung Wärmestrahlung, Metalldampfleuchten, Plasmastrahlung und/oder eine von dem Bearbeitungsort reflektierte Strahlung einer zusätzlichen monochromatischen Strahlungsquelle aufgenommen wird.

9. Vorrichtung zum Bearbeiten einer zylindrischen Innenwandfläche (10) einer Bohrung (12), vorzugsweise einer Lauffläche eines Kolbens auf einer Innenfläche (10) einer Zylinderbohrung (12) eines Zylinderkurbelgehäuses (13) einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Leichtmetall- oder Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit einer Umlenkoptik (14), welche einen Laserstrahl (16) eines Lasers (18) in die Bohrung (12) führt und auf einen Bearbeitungsort (20) der Innenwandfläche (10) fokussiert, wobei die Umlenkoptik (14) derart rotiert, daß der Bearbeitungsort (20) einen vorbestimmten Bereich der Innenwandfläche (10) überstreicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (30, 32, 34) zum Aufnehmen einer von dem Bearbeitungsort (20) ausgehenden Prozeßstrahlung (28) sowie eine der Einrichtung (30, 32, 34) zum Aufnehmen der Prozeßstrahlung (28) nachgeschaltete Einrichtung (36, 38. 40) zum Auswerten der Prozeßstrahlung (28) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30, 32, 34) zum Aufnehmen der Prozeßstrahlung (28) in eine Laserstrecke der Umlenkoptik (14) integriert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30, 32, 34) zum Aufnehmen der Prozeßstrahlung (28) einen optischen Sensor (30 bzw. 32) umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (32) in den Laser (18) integriert ist.

13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sensor (32) ein optischer Filter (34) vorgeschaltet ist.

14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor als CCD-Kamera ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der CCD-Kamera eine Bildverarbeitung nachgeschaltet ist.

16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (36, 38, 40) zum Auswerten der Prozeßstrahlung (28) ein Rechnersystem (40) umfaßt.

17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgenommene und ausgewertete Prozeßstrahlung (28) Wärmestrahlung, Metalldampfleuchten, Plasmastrahlung und/oder eine von dem Bearbeitungsort (20) reflektierte Strahlung einer zusätzlichen monochromatischen Strahlungsquelle ist.

18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (36, 38, 40) zum Auswerten der Prozeßstrahlung mit einer Einrichtung zum Verändern von Prozeßparametern verbunden ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßparameter Fokuslänge, Strahlintensität und/oder Strahlausrichtung sind.