DE10046360A1

DE10046360A1 - Machining process for light metal alloys involves mechanically fine machining surface and setting back softer light metal matrix through thermal rays

Info

Publication number: DE10046360A1
Application number: DE2000146360
Authority: DE
Inventors: Ulrich Klink; Gerhard Flores; Oliver Kull
Original assignee: Maschinenfabrik Gehring GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Gehring GmbH and Co KG
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2002-04-04

Abstract

When finishing or machining light metal alloys the surface is machine-polished and then the softer light metal matrix (8) is set back by thermal rays (13) so that the hard material crystals (9) are exposed. The wave length of the rays directed onto the surface being processed lies within the absorption gap of the hard materials.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Leichtmetallegierungen oder Verbundwerkstoffen, d. h. beste hend aus einer Matrix mit eingelagerten Hartstoffen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.The invention relates to a method for processing Light metal alloys or composites, d. H. best starting from a matrix with embedded hard materials in the Preamble of claim 1 specified genus.

Im Fahrzeugmotorenbau haben sich in den letzten Jahren Leichtmetallwerkstoffe durchgesetzt. Bei den Zylinderlauf flächen handelt es sich dabei insbesondere um Aluminiumle gierungen, deren Endbearbeitung auf das Nennmaß durch Honen erfolgt.Vehicle engine construction has been growing in recent years Light metal materials prevailed. With the cylinder barrel surfaces are especially aluminum oils alloys, their finishing to the nominal size by honing he follows.

Derartige Werkstoffe enthalten eine weiche Matrix, im all gemeinen eine Aluminiumlegierung mit Hartstoffeinlagerun gen, die als Reibpartner dienen. In der Matrix sind die Hartstoffe entsprechend dem jeweiligen Herstellverfahren positioniert und werden darüber hinaus mit ausreichender Kraft, das heißt beanspruchungsgerecht gehalten. Als Hart stoff dient überwiegend Silizium oder Siliziumcarbid, es sind jedoch auch andere Hartstoffe möglich. Die Hartstoffe entstehen im Gießprozeß z. B. durch übereutektische Aus scheidung oder werden als solide Kristalle dem Herstellpro zeß zugegeben.Such materials contain a soft matrix, in all mean an aluminum alloy with hard material storage conditions that serve as friction partners. They are in the matrix Hard materials according to the respective manufacturing process positioned and are also with sufficient Power, that is, held to meet the demands. As hard Substance mainly serves silicon or silicon carbide however, other hard materials are also possible. The hard materials arise in the casting process z. B. by hypereutectic divorce or as solid crystals to the manufacturing pro ze admitted.

Um die Vorteile der Aluminium-Basis-Werkstoffe vollständig nutzen zu können, bedarf es einer funktionsgerechten Endbe arbeitung auf hohem Qualitätsniveau. Daher ist für die Feinbearbeitung insbesondere das Honen vorgesehen. Dem Honprozeß kommen dabei unterschiedliche Funktionen zu. Zu nächst geht es um das Abtragen der Randzonen, deren Gefüge durch die Vorbearbeitung verdichtet und verformt werden. Zahlreiche Kristalle sind aus der Matrix herausgerissen, außerdem sind einige Kristalle durch die Bearbeitung zer splittert. Die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks nach dem Honen ist der entscheidende Ausgangszustand für das anschließende Freilegen der Hartstoffkristalle. Daher wird häufig ein zweistufiger Honprozeß benutzt, um die Feingeometrie von Werkstückoberflächen einzustellen. Dabei kann beispielsweise die erste Honstufe mit Diamanthon leisten und die zweite mit Siliziumcarbidsteinen erfolgen. Nach der Feinbearbeitung befinden sich die Hartstoff kristalle und die Leichmetallmatrix auf gleichem Profilni veau.To take full advantage of aluminum-based materials To be able to use it requires a functional end user high quality work. Therefore, for the Finishing especially honing provided. the The honing process has different functions. to next is the removal of the marginal zones, their structure be compressed and deformed by the preprocessing. Numerous crystals have been torn out of the matrix, in addition, some crystals are broken by processing splinter. The surface quality of the workpiece after honing is the crucial starting point for the subsequent exposure of the hard material crystals. Therefore a two-stage honing process is often used to Adjust fine geometry of workpiece surfaces. there can, for example, the first honing step with diamond honing afford and the second with silicon carbide stones. After finishing, the hard material is there crystals and the light metal matrix on the same profile veau.

Aus der DE 196 27 926 A1 ist ein Verfahren zur Bearbeitung von aus Leichtmetallegierungen hergestellten Zylinderlauf flächen bei Motorblöcken und Kurbelgehäusen für Verbren nungskraftmaschinen bekannt. Dabei besitzen die Leichtme tallegierungen eingelagerte körnige oder faserige Hart stoffe, wie insbesondere Silizium, Aluminiumoxyd oder Car bide zur Erzeugung tribologisch geeigneter Eigenschaften. Die Besonderheit dieses Verfahrens besteht darin, daß zum Freilegen der Hartstoffpartikel durch Zurücksetzen der Leichtmetallmatrix die zu bearbeitende Zylinderlauffläche gehont wird und daß hierfür ein Honwerkzeug verwendet wird, dessen Schneidstoff in einer derart nachgiebigen Matrix eingelagert ist, daß die Schneidstoffpartikel zwischen die Hartstoffe gedrückt werden und dabei eine Freilegung sowie eine Verrundung der Hartstoffe bewirken können.DE 196 27 926 A1 describes a method for processing of cylinder barrel made of light metal alloys areas for engine blocks and crankcases for combustion power machines known. The Leichtme have Granular or fibrous hard embedded in valley alloys substances, such as in particular silicon, aluminum oxide or car bide to produce tribologically suitable properties. The peculiarity of this method is that for Expose the hard material particles by resetting the Light metal matrix the cylinder surface to be machined is honed and that a honing tool is used for this, its cutting material in such a flexible matrix is stored that the cutting material particles between the Hard materials are pressed while exposing them as well can cause a rounding of the hard materials.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bearbeitung von Leichtmetallegierungen oder Verbundwerkstoffen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ge nannten Gattung zu schaffen, bei dem eine gleichmäßigere Qualität der Oberfläche erreicht wird.The present invention is based on the object Process for processing light metal alloys or Composites of the ge in the preamble of claim 1 called genus to create a more uniform Surface quality is achieved.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This task is accomplished by a method with the characteristics of claim 1 solved.

Die vorliegende Erfindung nutzt den Effekt, daß die Absorp tion einer Strahlung in verschiedenen Stoffen sehr unter schiedlich ist, das heißt, die Strahlungsenergie wird in Abhängigkeit der jeweiligen Wellenlänge in den unterschied lichen Grundstoffen des Materials unterschiedlich absor biert. Damit wird erreicht, daß ein auf die Oberfläche ge richteter Energiestrahl vollständig von dem weicheren Matrixmaterial absorbiert wird und aufgrund der erzeugten Temperatur diese Matrix zurückgesetzt wird, wohingegen der Hartstoff die Strahlung nicht absorbiert und damit keine Veränderung oder Abtragung des Hartstoffes erfolgt. Die Freilegetiefe läßt sich durch die zugeführte Energie und/oder die Zeit der Energieeinwirkung bestimmen, so daß unter Berücksichtigung des jeweiligen Materials die ent sprechenden Parameter für das gewünschte Maß der Zurückset zung einstellbar sind. Das Verfahren ist umweltfreundlich, da keine gesundheitsgefährdenden Stoffe erforderlich sind und auch keine umweltbelastenden Rückstände entstehen.The present invention takes advantage of the effect that the Absorp tion of radiation in different substances very under is different, that is, the radiation energy is in Dependence of the respective wavelength in the difference different materials absorbed differently biert. This ensures that a ge on the surface directed energy beam completely from the softer Matrix material is absorbed and due to the generated Temperature this matrix is reset, whereas the Hard material does not absorb the radiation and therefore none The hard material is changed or removed. The Open depth can be determined by the energy supplied and / or determine the time of energy exposure so that considering the respective material the ent speaking parameters for the desired degree of reset are adjustable. The process is environmentally friendly, since no substances hazardous to health are required and no environmentally harmful residues arise.

Vorteilhaft ist auch, daß die Freilegetiefe nicht durch das Fertigungsverfahren begrenzt ist, sondern nach den Anforde rungen des tribologischen Systems exakt bestimmbar ist.It is also advantageous that the free depth is not due to the Manufacturing process is limited, but according to requirements of the tribological system can be determined exactly.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden auf die zu bearbeitende Oberfläche Strahlen gerichtet, de ren Wellenlänge in der Absorptionslücke von Hartstoffen, insbesondere aus Silizium bzw. Siliziumverbindungen liegt. Als besonders zweckmäßig wird eine Wellenlänge von λ 1,06 µm angesehen. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß als Strahlen für die thermische Einwirkung von einem Lasergerät erzeugte energiereiche Lichtstrahlen benutzt werden. Laserstrahlen können ohne nennenswerten Zusatzauf wand der zu bearbeitenden Oberfläche zugeführt werden und sind auf einfache Weise beispielsweise in Honmaschinen in tegrierbar.According to a preferred development of the invention rays directed at the surface to be processed, de ren wavelength in the absorption gap of hard materials, is in particular made of silicon or silicon compounds. A wavelength of λ is particularly expedient Viewed 1.06 µm. A particular advantage is that as rays for the thermal action of one Laser device uses high-energy light rays become. Laser beams can be emitted without any significant additional wall of the surface to be processed and are in a simple way, for example in honing machines tegrierbar.

Vorzugsweise beträgt die Tiefe der Freilegung bzw. Zurück setzung weniger als 1,5 µm. Um die gewünschte Freilegetiefe der Hartstoffkristalle möglichst exakt einzustellen, können mehrere Parameter variierbar sein. Als zweckmäßig wird es angesehen, wenn die Freilegetiefe zumindest von einem der nachfolgenden Parameter bestimmbar ist, nämlich Quer schnittsfläche der Strahlung bzw. dem sogenannten Brenn fleckdurchmesser, der Strahlungsintensität, der Dauer der Einwirkung und des Absorptionsgrades des Matrixwerkstoffes.The depth of the exposure or back is preferably setting less than 1.5 µm. To the desired free depth of the hard material crystals as precisely as possible several parameters can be varied. It will be useful viewed when the free depth of at least one of the subsequent parameter can be determined, namely cross intersection of the radiation or the so-called Brenn spot diameter, the radiation intensity, the duration of the Effect and the degree of absorption of the matrix material.

Um die Oberfläche für das thermische Freilegen je nach Geo metrie der zu bearbeitenden Fläche auf geeignete Weise vor zubereiten, kann eine Feinbearbeitung durch Innenrundhonen, Flachschleifen, Planläppen, Außenrundläppen oder Außenrund schleifen erfolgen. Dabei ist es möglich, die Feinbearbei tung in mehreren Schritten durchzuführen. Bei zylindrischen Oberflächen, wie sie beispielsweise als Kolbenlaufflächen in Brennkraftmaschinen vorgesehen sind, ist es zweckmäßig, in einem ersten Schritt, dem Vorhonen, ca. 25 µm radial ab zutragen und in einem zweiten Schritt, nämlich dem Fertig honen, ca. 10 µm radial abzutragen.To the surface for thermal exposure depending on the geo metry of the surface to be processed in a suitable manner preparation, can be finished by internal honing, Surface grinding, surface lapping, external circular lapping or external rounding grinding done. It is possible to do the finishing in several steps. With cylindrical Surfaces such as those used as piston running surfaces are provided in internal combustion engines, it is expedient in a first step, pre-honing, about 25 µm radially to carry and in a second step, namely the finished honing, remove approximately 10 µm radially.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:An embodiment of the invention is shown below hand of the drawing explained in more detail. The drawing shows:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines axialen Schnittes durch ei nen Zylinder und einen Kolben, Fig. 1 shows a detail of an axial section through ei NEN cylinder and a piston,

Fig. 2 einen Ausschnitt des Zylinders nach der Feinbearbeitung, Fig. 2 shows a section of the cylinder according to the fine processing,

Fig. 3 einen Ausschnitt des Zylinders während des thermi schen Freilegens, Fig. 3 shows a detail of the cylinder during the thermi rule uncovering,

Fig. 4 eine Darstellung gemäß Fig. 2 mit zurückgesetzter Matrix. FIG. 4 shows a representation according to FIG. 2 with the matrix reset.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt einer Zylinderlaufbüchse 1 aus einem Leichtmetallwerkstoff 12 gezeigt, in der sich eine Zylinderbohrung 2 befindet. In dieser Zylinderbohrung 2 ist ein Kolben 3 angeordnet, der mit einer Ringnut 4 versehen ist, in der ein Kolbenring 5 angeordnet ist. Der Kolbenring 5 liegt mit seiner Mantelfläche 6 an der Kolbenlauffläche 7 der Zylinderlaufbuchse 1 an, wobei ein Ringdruck P gegen die Kolbenlauffläche 7 wirkt. Die Bewegung des Kolbens 3 erfolgt gemäß dem mit S bezeichneten Kolbenhub. Die Kolben lauffläche 7 ist durch die bearbeiteten Vorderflächen von Hartstoffkristallen 9 gebildet, welche in einer Aluminium matrix 8 eingebettet sind. In den Abständen zwischen den freigelegten Hartstoffkristallen 9 befinden sich durch Zu rücksetzung des weicheren Materials der Aluminiummatrix 8 gebildete Zwischenräume, die ein Ölhaltevolumen 10 entlang der Kolbenlauffläche 7 bilden. Durch diese Ausgestaltung ist die Funktion als tribologische Fläche gegeben. Dies be wirkt, daß der Kolbenring 5 nicht in Kontakt mit der Alumi niummatrix 8 kommen kann und auf diese Weise ein Gleitver schleiß und insbesondere Adhäsionsverschleiß ausgeschlossen ist, der die Funktion gefährden würde. Die Gesamtheit der infolge Zurücksetzung zwischen den Hartstoffkristallen 9 gebildeten Zwischenräume dienen zur Aufnahme eines Ölvolu mens, das die guten Gleiteigenschaften an der Kolbenlauf bahnfläche 7 garantiert.In Fig. 1 a section of a cylinder liner 1 is shown from a light metal material 12, a cylinder bore 2 is in the. In this cylinder bore 2 , a piston 3 is arranged, which is provided with an annular groove 4 , in which a piston ring 5 is arranged. The piston ring 5 lies with its outer surface 6 on the piston running surface 7 of the cylinder liner 1 , an annular pressure P acting against the piston running surface 7 . The movement of the piston 3 takes place in accordance with the piston stroke denoted by S. The piston tread 7 is formed by the machined front surfaces of hard material crystals 9 , which are embedded in an aluminum matrix 8 . In the intervals between the exposed hard material crystals 9 there are gaps formed by resetting the softer material of the aluminum matrix 8 , which form an oil holding volume 10 along the piston running surface 7 . This configuration provides the function as a tribological surface. This has the effect that the piston ring 5 cannot come into contact with the aluminum matrix 8 and in this way a sliding wear and in particular adhesion wear is excluded, which would endanger the function. The entirety of the spaces formed as a result of the reset between the hard material crystals 9 serve to accommodate an oil volume which guarantees the good sliding properties on the piston raceway surface 7 .

Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt der Zylinderlaufbuchse 1 mit einer vorzugsweise durch ein zweistufiges Honverfahren erzeugten Oberfläche 11: Die Zylinderlaufbuchse 1 besteht aus der Aluminiumlegierung 12 mit der bereits genannten Aluminium-Matrix 8 und den eingelagerten Hartstoffkristal len 9. Die Fläche 11 ist feinbearbeitet, beispielsweise durch Vorhonen mit einem Abtrag von ca. 25 µm und einem Fertighonen mit ca. 10 µm Abtrag jeweils in radialer Rich tung. Dadurch ist die gewünschte minimierte Kristallzerstö rung möglich ohne Kornsplitterungen und Ausbrüchen. Es er gibt sich auf diese Weise die in Fig. 2 dargestellte Fläche 11. Figs. 2 shows a section of the cylinder liner 1 with a preferably produced by a two-step honing surface 11: The cylinder liner 1 is made of aluminum alloy 12 having the above-mentioned aluminum matrix 8 and the embedded Hartstoffkristal len. 9 The surface 11 is finely machined, for example by pre-honing with a removal of approx. 25 μm and a finish honing with approx. 10 μm removal, each in the radial direction. This enables the desired minimized crystal destruction without grain splinters and breakouts. In this way, there is the surface 11 shown in FIG. 2.

Die Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der Zylinderlaufbuchse 1 gemäß Fig. 2, jedoch im folgenden Arbeitsschritt, nämlich dem thermischen Zurücksetzen der Matrix 8 bzw. Freilegen der Hartstoffkristalle 9. Auf die bearbeitete Fläche 11 wirkt eine Strahlung 13, so daß durch thermische Einwirkung mittels Strahlen ein Zurücksetzen der Matrix 8 gegenüber der vorderen Fläche der Hartstoffkristalle 9 erfolgt. Für das thermische Freilegen wird vorzugsweise ein energierei cher Lichtstrahl, z. B. ein Laserstrahl eingesetzt. Mit ei nem solchen Strahl kann ein Abtrag von bis zu 1,5 µm Tiefe bewirkt werden. Daß dieser Abtrag nur im Bereich der Matrix 8 erfolgt, nicht jedoch an den Hartstoffkristallen 9, be ruht darauf, daß der Absorptionsgrad der Materialien unter schiedlich ist, wobei das Matrixmaterial die Energie mög lichst vollständig absorbiert und die Hartstoffkristalle möglichst keine Energie absorbieren. Der Hartstoff weist für die benutzte Wellenlänge eine Absorptionslücke auf, so daß am Hartstoff selbst keine Veränderung bewirkt wird und lediglich zwischen den Hartstoffkristallen die Zurückset zung der Aluminiummatrix 8 erfolgt. Als besonders geeignet wird der Einsatz eines YAG-Lasers mit einer Wellenlänge λ = 1,06 µm angesehen. Die Bewegungsrichtung, mit welcher der Strahl 12 entlang der Fläche 11 bewegt wird, ist mit dem Pfeil B angegeben. FIG. 3 shows a section of the cylinder liner 1 according to FIG. 2, but in the following work step, namely the thermal resetting of the matrix 8 or exposure of the hard material crystals 9 . Radiation 13 acts on the machined surface 11 , so that the matrix 8 is reset by thermal action by means of radiation relative to the front surface of the hard material crystals 9 . For the thermal exposure, an energy-rich light beam, e.g. B. used a laser beam. With such a beam, an ablation of up to 1.5 µm depth can be effected. That this removal takes place only in the area of the matrix 8 , but not on the hard material crystals 9 , be based on the fact that the degree of absorption of the materials is different, the matrix material absorbing the energy as completely as possible and the hard material crystals absorb as little energy as possible. The hard material has an absorption gap for the wavelength used, so that no change is caused to the hard material itself and only the reset of the aluminum matrix 8 takes place between the hard material crystals. The use of a YAG laser with a wavelength λ = 1.06 µm is considered to be particularly suitable. The direction of movement with which the beam 12 is moved along the surface 11 is indicated by the arrow B.

Die Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt der Zylinderlaufbuchse 1 gemäß Fig. 2 nach Abschluß der in Fig. 3 gezeigten Bearbei tung. Dabei ist die Aluminiummatrix 8 gegenüber der Vorder fläche der Hartstoffkristalle 9 um die Tiefe T zurückge setzt, die bis zu 1,5 µm betragen kann. Bei einem großflä chigen Abtrag und der genannten Abtragstiefe ist die zu er wartende Strahlintensität verhältnismäßig niedrig, hingegen die Einwirkzeit eher hoch. Es ist vorgesehen, die Strahl energie durch Intensität, Querschnittsfläche und Quer schnittsgeometrie einzustellen. Durch einen geeigneten Brennfleckdurchmesser sowie ausreichende Nennleistung und geeignete Vorschubgeschwindigkeit in Bewegungsrichtung B in Fig. 3 kann die Bearbeitungszeit auf den Serientakt eines Motorblocks in dessen Herstellungsprozeß eingerichtet wer den. Fig. 4 shows a section of the cylinder liner 1 shown in FIG. 2 after completion of the processing shown in Fig. 3 processing. The aluminum matrix 8 is set back against the front surface of the hard material crystals 9 by the depth T, which can be up to 1.5 μm. With a large-scale ablation and the abovementioned ablation depth, the expected beam intensity is relatively low, but the exposure time is rather long. It is intended to adjust the beam energy through intensity, cross-sectional area and cross-sectional geometry. By means of a suitable focal spot diameter and sufficient nominal power and a suitable feed speed in the direction of movement B in FIG. 3, the processing time can be set up for the series cycle of an engine block in its manufacturing process.

Das vorstehend beschriebene Verfahren ist bei allen Werk stoffen anwendbar, welche eingelagerte Hartstoffe aufwei sen. In Verbindung mit einem Verfahren der Feinbearbeitung wie dem Honen hat das thermische Freilegen der Hartstoffe den Vorteil, daß keine Peripherie für die Pflege der Kühl schmierstoffe und ebenso keine Honschlammentsorgung erfor derlich ist.The procedure described above is common to all works applicable substances that have stored hard materials sen. In conjunction with a finishing process like honing has the thermal exposure of hard materials the advantage that no periphery for the maintenance of the cooling lubricants and also no honed sludge disposal required is such.

Claims

1. Process for processing light metal alloys or composite materials ( 12 ), in particular aluminum alloys, consisting of a soft matrix ( 8 ) with embedded hard materials ( 9 ), mechanical finishing being carried out on at least one surface ( 11 ), and in a further working step is carried out a reset of the softer light-metal matrix (8), whereby the hard material crystals (9) are exposed, characterized in that the resetting of the matrix (8) len by thermal action means Strah takes place (13).

2. The method according to claim 1, characterized in that beams ( 13 ) are directed onto the surface to be machined ( 11 ), the wavelength of which lies in the absorption gap of hard materials ( 8 ).

3. The method according to claim 2, characterized in that the rays hit hard substances ( 8 ) which consist of silicon or silicon compounds.

4. The method according to claim 3, characterized in that the wavelength λ = Is 1.06 µm.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that as rays from one Laser device generated high-energy light rays be used.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the depth (T) of the freile reduction or reset is <1.5 µm.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the free depth (T) of the hard material crystals ( 9 ) of at least one of the following parameters can be determined: cross-sectional area of the radiation, radiation intensity, duration of exposure and degree of absorption of the matrix material.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the finishing by Honing, grinding or lapping takes place.

9. The method according to claim 8, characterized in that depending on the Geometry of the surface to be machined processing by internal honing, surface grinding, plan lapping, external circular lapping or external cylindrical grinding follows.

10. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the finishing in at least two steps.

11. The method according to claim 10, characterized in that with cylindrical upper in a first step (pre-honing) a radia removal of approx. 15 µm and in a second step (Finished honing) a radial removal of approx. 10 µm follows.