DE10041179A1

DE10041179A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung

Info

Publication number: DE10041179A1
Application number: DE10041179A
Authority: DE
Inventors: Rolf Heinemann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2020-08-24
Also published as: DE10041179B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche (18) einer zylinderförmigen Bohrung (10) eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer Legierungspulverzuführung (22), einer Umlenkoptik (12), die einen Laserstrahl (14) in die Bohrung (10) führt und auf eine Bearbeitungsstelle der Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung (10) richtet, wobei die Umlenkoptik (12) um eine Zylinderlängsachse (20) der Bohrung als Drehachse drehbar bzgl. der Bohrung (10) und vorschiebbar in Richtung der Zylinderachse (20) zum Überstreichen eines vorbestimmten Bearbeitungsgebiets ausgebildet ist. Hierbei ist eine zusätzliche Fluidführung (28) für ein Kühlmedium derart vorgesehen, daß ein Kühlmediumstrahl um eine vorbestimmte Zeit versetzt nach dem Laserstrahl (14) auf eine entsprechende Bearbeitungsstelle im Bearbeitungsgebiet trifft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium- Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einem Laserstrahl, der mittels einer Umlenkoptik in die Bohrung geführt und auf die Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung gerichtet wird, wobei ein Grundwerkstoff der Oberfläche mit dem Laserstrahl an einem Laserfokus zu einem lokalen Schmelzbad aufgeschmolzen und ein Legierungspulver in das Schmelzbad eingebracht 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 Legierungspulverzuführung, einer Umlenkoptik, die einen Laserstrahl in die Bohrung führt und auf eine Bearbeitungsstelle der Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung richtet, wobei die Umlenkoptik um eine Zylinderlängsachse der Bohrung als Drehachse drehbar bzgl. der Bohrung und vorschiebbar in Richtung der Zylinderachse zum Überstreichen eines vorbestimmten Bearbeitungsgebiets ausgebildet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

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 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.

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.

Bei einer derartigen Herstellung von verschleißfesten und ggf. tribologisch geeigneten Schichten mittels Laser durch Einlegieren oder Dispergieren oder Aufragsschweißen werden beispielsweise Al/Si-Pulver, nur Si, nur Al oder andere Legierungssysteme, wie beispielsweise Zn, Sn, Pb, Cd, Bi oder andere mit Al bestehende intermetallische Verbindungen, wie beispielsweise AlSi18Fe5Ni2 in übersättigter Form (Löslichkeit) verwendet. Es werden also nicht nur Primäraluminium mit Si sondern auch Sekundäraluminium mit Legierungselementen eingesetzt, so daß bei der Oberflächenbearbeitung oftmals aluminiumreiche Mischkristalle, meist α-, α-Al, oder Al- Mischkristalle entstehen. Schon in der Pulvererstellung durch Verdüsen und schneller Abkühlung des Materials stellen sich solche Dispersoide ein.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei die Dispersoide einer dispersionsverfestigten Al-Legierung derart erzeugt werden, daß eine Kristallgröße einer Legierungspulverkomponente, wie beispielsweise Si, in der erstellten Schicht und somit auch deren Festigkeit, aktiv und vorbestimmt beeinflußt wird.

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 8 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 dem Laserfokus nachlaufend ein Kühlmediumstrahl auf die Innenfläche geführt wird. Das Kühlmedium ist beispielsweise ein Gas, insbesondere Stickstoff.

Dies hat den Vorteil, daß über den Grad der Kühlung die erzeugte Oberflächenstruktur und Oberflächenbeschaffenheit eingestellt werden kann.

Zweckmäßigerweise wird der Kühlmediumstrahl derart auf die Fläche, vorzugsweise Innenfläche, geführt, daß sich Dispersoide ausbilden sowie eine vorbestimmte Kristallgröße wenigstens einer Komponente des Legierungspulvers in der behandelten Oberfläche einstellt.

Zum Einstellen einer vorbestimmten Kristallgröße wenigstens einer Komponente des Legierungspulvers in der behandelten Oberfläche wird ein Volumenstrom und/oder eine Temperatur des Kühlmediumstrahls entsprechend eingestellt.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird der Kühlmediumstrahl mittels einer an der Umlenkoptik angeordneten Fluidführung in die Bohrung geführt und auf die Innenfläche gerichtet. Das Legierungspulver umfaßt beispielsweise Si und es wird eine vorbestimmte Si-Kristallgröße eingestellt.

Ferner ist es bei einer Vorrichtung der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine zusätzliche Fluidführung für ein Kühlmedium derart vorgesehen ist, daß ein Kühlmediumstrahl um eine vorbestimmte Zeit versetzt nach dem Laserstrahl auf eine entsprechende Bearbeitungsstelle im Bearbeitungsgebiet trifft.

Die Fluidführung für das Kühlmedium, wie beispielsweise ein Gas, insbesondere Stickstoff, ist bevorzugt an der Umlenkoptik angebracht und derart ausgebildet und angeordnet, daß der Kühlmediumstrahl dem Laserstrahl in Umfangsrichtung der Bohrung um einen vorbestimmten Winkel a nachläuft.

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 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem schematischen Längsschnitt und

Fig. 2 in einem schematischen Querschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten bzw. Beschichten einer Innenfläche 18 einer zylinderförmigen Bohrung 10 umfaßt eine in dieser angeordnete Umlenkoptik 12, welche einen Laserstrahl 14 in die Bohrung 10 führt und mittels eines Umlenkspiegels 16 auf die Innenfläche 18 der Bohrung 10 richtet. Mit 20 ist eine Umlenkoptiklängsachse der Umlenkoptik 12 bezeichnet, wobei diese Längsachse 20 mit einer Zylinderlängsachse der Bohrung 10 fluchtet. Sowohl die Bohrung 10 als auch ein wesentlicher Abschnitt der Umlenkoptik 12 sind rotationssymmetrisch um die Längsachse 20 ausgebildet.

In der Umlenkoptik 12 ist ferner eine Fokussierlinse 24 angeordnet. Nach Durchtritt des Laserstrahls 14 durch die Fokussierlinse 24 und Reflexion am Umlenkspiegel 16 trifft dieser auf die Innenfläche 18 der Bohrung 10, wobei die Fokussierlinse 24 derart angeordnet ist, daß sich ein Laserfokus 26 möglichst genau auf der Innenfläche 18 der Bohrung 10 befindet.

Mittels der in Fig. 1 dargestellten Anordnung erfolgt eine Oberflächenbehandlung der Innenfläche 18 der Bohrung 10 derart, daß der Laserstrahl 14 an einem Laserfokus 26 einen Abschnitt der Innenfläche 18 aufschmilzt, so daß ein Schmelzbad entsteht, und diesem Schmelzbad ein entsprechendes Legierungspulver 23 zugeführt wird. Mit 22 ist eine entsprechende Vorrichtung zum Zuführen von Legierungspulver 23, ggf. unter Zuhilfenahme eines Schutzgasstromes, bezeichnet. Je nach Intensität der Laserstrahles 14 wird nur eine Oberfläche der Innenfläche 18 aufgeschmolzen (Auftragsschweißen) oder eine vorbestimmte Eindringtiefe des Laserstrahles 14 in die Innenfläche 18 erzielt, so daß das Schmelzbad über eine vorbestimmte Strecke in die Innenfläche 18 hinein reicht (Auflegieren).

Die Bohrung 10 ist beispielsweise in einem ansonsten nicht näher dargestellten Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse ausgebildet, wobei mittels der Laserbehandlung (Laser-Plasmabeschichtung) an der Zylinderwand 18 eine tribologisch geeignete Kolbenlauffläche mit entsprechend bzgl. reinem Aluminium höherer mechanischer Festigkeit hergestellt wird. Dabei wird beispielsweise eine Kolbenlauffläche mit Eintrag von Siliziumpulver hergestellt. Um eine entsprechende Fläche als Kolbenlauffläche herzustellen, muß der Laserstrahl 14 eine entsprechende Fläche bzw. ein entsprechendes Bearbeitungsgebiet an der Innenfläche 18 der Bohrung 10 überstreichen. Hierzu wird die Umlenkoptik 12 um die Achse 20 entsprechend gedreht, so daß der Laserstrahl 14 sukzessive andere Abschnitte der Innenfläche 18 der Bohrung 10 überstreicht. Zusätzlich zu der Drehung erfolgt ein entsprechender Vorschub der Umlenkoptik 12 in die Bohrung 10 hinein oder aus dieser hinaus, je nach Bearbeitungsrichtung.

Erfindungsgemäß ist eine zusätzliche Fluidführung 28 für ein Kühlmedium, wie beispielsweise Stickstoff, vorgesehen, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel an der Umlenkoptik 12 angeordnet ist und sich somit mit dieser dreht und auch mit dieser in Richtung der Achse 20 vorgeschoben wird. Hierbei ist die Vorschubrichtung beispielsweise in der Fig. 1 von unten nach oben gerichtet, wie mit Pfeil 30 angedeutet. Mit anderen Worten arbeitet der Laserstrahl 14 in der Bohrung 10 von unten nach oben.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist die Fluidführung 28 derart ausgebildet und an der Umlenkoptik angeordnet, daß ein Kühlmediumstrahl 32, ebenso wie der Laserstrahl 14, bzgl. der Bohrung radial nach außen gerichtet auf die Innenfläche 18 der Bohrung 10 trifft. Bezüglich des Laserstrahls 14 ist jedoch der Kühlmediumstrahl 32 in Umfangsrichtung um einen Winkel α derart versetzt, daß der Kühlmediumstrahl 32 dem Laserstrahl 14 bei Drehung der Umlenkoptik 12 nachläuft. Mit anderen Worten trifft auf einen bestimmten Bearbeitungsort zunächst der Laserstrahl 14 mit seinem Laserfokus 26 und führt eine entsprechende Bearbeitung der Oberfläche mit Einbringung des Legierungspulvers aus. Zeitlich versetzt trifft auf dieselbe Stelle dann der Kühlmediumstrahl 32, der eine definierte Kühlung der soeben bearbeiteten Stelle durchführt.

Somit wird kurz nach der Herstellung einer Schicht an der Innenfläche 18 diese mittels dem Kühlmedium gekühlt. Dadurch werden in der hergestellten Schicht Dispersoide mit einer gewünschten Si-Kristallgröße erhalten. Die Zuführung des Kühlmediums ist an der rotierend und/oder translatorisch arbeitenden Umlenkoptik 12 für den Laserstrahl 14 beispielsweise neben der Pulverzuführung 22 angebracht. Über den Grad der Kühlung ist damit die erzeugte Oberflächenstruktur, Gefügeausbildung bzw. Oberflächenbeschaffenheit einstellbar.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Bohrung

12

Umlenkoptik

14

Laserstrahl

16

Umlenkspiegels

18

Innenfläche

20

Umlenkoptiklängsachse

22

Legierungspulverzuführung

23

Legierungspulver

24

Fokussierlinse

26

Laserfokus

28

Fluidführung

30

Pfeil

32

Kühlmediumstrahl

34

Winkel

Claims

1. Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einem Laserstrahl, der mittels einer Umlenkoptik in die Bohrung geführt und auf die Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung gerichtet wird, wobei ein Grundwerkstoff der Oberfläche mit dem Laserstrahl an einem Laserfokus zu einem lokalen Schmelzbad aufgeschmolzen und ein Legierungspulver in das Schmelzbad eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Laserfokus nachlaufend ein Kühlmediumstrahl auf die Innenfläche geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmediumstrahl derart auf die Fläche, vorzugsweise Innenfläche, geführt wird, daß sich Dispersoide ausbilden sowie eine vorbestimmte Kristallgröße wenigstens einer Komponente des Legierungspulvers in der behandelten Oberfläche einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Volumenstrom des Kühlmediumstrahls derart eingestellt wird, daß sich eine vorbestimmte Kristallgröße wenigstens einer Komponente des Legierungspulvers in der behandelten Oberfläche einstellt.

4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatur des Kühlmediumstrahls derart eingestellt wird, daß sich eine vorbestimmte Kristallgröße wenigstens einer Komponente des Legierungspulvers in der behandelten Oberfläche einstellt.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmediumstrahl mittels einer an der Umlenkoptik angeordneten Fluidführung in die Bohrung geführt und auf die Innenfläche gerichtet wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver Si umfaßt und eine vorbestimmte Si- Kristallgröße eingestellt wird.

7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium ein Gas, insbesondere Stickstoff, verwendet wird.

8. Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche (18) einer zylinderförmigen Bohrung (10) eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer Legierungspulverzuführung (22), einer Umlenkoptik (12), die einen Laserstrahl (14) in die Bohrung (10) führt und auf eine Bearbeitungsstelle der Innenfläche der zylinderförmigen Bohrung (10) richtet, wobei die Umlenkoptik (12) um eine Zylinderlängsachse (20) der Bohrung als Drehachse drehbar bzgl. der Bohrung (10) und vorschiebbar in Richtung der Zylinderachse (20) zum Überstreichen eines vorbestimmten Bearbeitungsgebiets ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Fluidführung (28) für ein Kühlmedium derart vorgesehen ist, daß ein Kühlmediumstrahl (32) um eine vorbestimmte Zeit versetzt nach dem Laserstrahl (14) auf eine entsprechende Bearbeitungsstelle im Bearbeitungsgebiet trifft.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidführung (28) für das Kühlmedium an der Umlenkoptik (12) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidführung (28) für das Kühlmedium derart ausgebildet und angeordnet ist, daß der Kühlmediumstrahl (32) dem Laserstrahl (14) in Umfangsrichtung der Bohrung (10) um einen vorbestimmten Winkel α (34) nachläuft.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium ein Gas, insbesondere Stickstoff, ist.