DE10111569A1

DE10111569A1 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von beschichteten Bohrungen

Info

Publication number: DE10111569A1
Application number: DE10111569A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dannemann; Helmut Schaefer; Walter Zwink
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-03-10
Filing date: 2001-03-10
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2021-03-11
Also published as: EP1370706A1; WO2002072907A1; DE10111569B4; US20040129214A1; JP2004531401A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von beschichteten Bohrungen, wobei nach Ausbildung der Bohrung die Bohrungswandung mit einem Beschichtungsmaterial plasmagespritzt wird. Um in relativ einfacher Weise eine ausreichende Haltbarkeit der Beschichtung der Bohrungswandung gegenüber mechanischen Belastungen zu erreichen, wird vorgeschlagen, daß die Bohrungswandung einer Rolldrückbearbeitung unterzogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von be schichteten Bohrungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru ches 1 und eine Einrichtung zur Durchführung desselben nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.

Bei herkömmlichen Verfahren und Einrichtungen zur Beschichtung von Bohrungen, deren Wandungen dazu plasmagespritzt werden, um diese verschleißfest zu machen und gleichzeitig mit hoher Gleitfähigkeit auszustatten, tritt beim praktischen Einsatz der Schicht im Kontakt mit einem Tribologiepartner aufgrund zu ge ringer Haftfestigkeit infolge von Schichtungleichmäßigkeiten eine frühe Überbelastung der Schicht auf, welche hierbei ab platzt oder Rißbildung zeigt. Dies kann zu einem völligen Ver sagen der betreffenden zusammenwirkenden Funktionsbauteile füh ren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Einrichtung dahingehend wei terzubilden, daß in relativ einfacher Weise eine ausreichende Haltbarkeit der Beschichtung der Bohrungswandung gegenüber me chanischen Belastungen erreicht werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent anspruches 1 hinsichtlich des Verfahrens und durch die Merkmale des Patentanspruches 7 hinsichtlich der Einrichtung gelöst.

Aufgrund der Bearbeitung der Bohrungswandung mittels Rolldrü cken werden auch geringe - nicht zur Rauhigkeit des Bohrungswandungsmaterials zählende - Unebenheiten der Wandung nivel liert, wodurch sich der Beschichtungswerkstoff wesentlich bes ser und homogener in der Oberfläche der Wandung verkrallen kann, so daß die Haftfestigkeit der Schicht erheblich erhöht wird, was zu einer gesteigerten Haltbarkeit der Beschichtung gegenüber mechanischen Belastungen führt. Einen weiteren Bei trag zur Haltbarkeit leistet die Gleichmäßigkeit der Schichtdi cke. Durch diese werden zum einen schädliche Scherspannungen, die durch den Zug oder Druck des Reibungspartners an der Schicht an Einfallstellen - also Stellen mit verminderter Schichtdicke - verursacht werden, verhindert. Zum anderen wird dadurch vermieden, daß durch den Kontakt des Reibungspartners mit in den lichten Querschnitt der Bohrung einstehenden übermä ßigen Schichtmaterialansammlungen und damit unzulässig hohen punktuellen mechanischen Beanspruchungen an diesen Stellen Schichtabschnitte herausgelöst werden. Die Bearbeitung erfolgt rotierend mit gleichzeitigem Axialhub des Werkzeuges längs der zu glättenden Bohrung.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die erfindungsgemäße Einrichtung anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend näher erläutert; dabei zeigt:

Fig. 1 einen Bearbeitungskopf einer erfindungsgemäßen Roll drückvorrichtung mit Kugeln als Wälzkörper in einer perspekti vischen Darstellung,

Fig. 2 einen Ausschnitt des Bearbeitungskopfes nach Fig. 1 in einem seitlichen Längsschnitt,

Fig. 3 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Bearbeitungs kopfes mit Walzen als Wälzkörper in einer Draufsicht,

Fig. 4 einen Bearbeitungskopf einer erfindungsgemäßen Roll drückvorrichtung mit Rollierwalzen als Wälzkörper in einer per spektivischen Darstellung.

Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht aus einem in den Aus führungsbeispielen nicht gezeigten Werkzeug zur Ausbildung ei ner Bohrung, beispielsweise eine Gießvorrichtung, ein Fräser o der eine Drehvorrichtung, und einer Plasmaspritzvorrichtung üb licher Bauart. Des weiteren beinhaltet die Einrichtung ein Rolldrückwerkzeug, das sich aus einer motorisch betriebenen Be arbeitungsspindel und einem an dieser endseitig befestigten Be arbeitungskopf 1 zusammensetzt, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

Der Bearbeitungskopf 1 ist als zylindrischer in seinen Abmes sungen an die zu bearbeitende Bohrung angepaßter Käfig ausge bildet, der an seinem Umfang eine Vielzahl von in radialer Richtung des Käfigs offenen Hohlräumen 2 (Fig. 2) aufweist. In den Hohlräumen 2 sind Wälzkörper in Form von Kugeln 3 frei schwimmend aufgenommen, die radial ausstellbar sind und deren Wölbung der der Bohrungswandung angepaßt ist. Die Kugeln 3 wer den hier über ein mit den Hohlräumen 2 verbundenes Leitungssys tem fluidisch beaufschlagt, wenn der Bearbeitungskopf 1 im Einsatzfall in die Bohrung eingesenkt wird. Dabei werden die Kugeln 3 gemäß der Pfeilrichtung hydraulisch angeschwemmt und damit zur Bearbeitung in Gebrauchsstellung ausgestellt. Hierzu sind die Hohlräume 2 derart ausgebildet, daß die Kugeln 3 die Öffnungen 4 der Hohlräume 2 nach außen hin mit jeweils einem sphärischen Abschnitt 5 durchdringen können. In Gebrauchsstel lung werden die Kugeln 3 an der die Öffnungen 4 umgebenden Hohlraumwandung 6 angepreßt und zwar so, daß sich die Kugeln 3 - geschmiert durch die Hydraulikflüssigkeit - noch ungehindert in jede Richtung drehen können. Die Bohrungswandung ist damit nun durch das Rolldrückwerkzeug mechanisch beaufschlagbar. Die Bearbeitung der Bohrungswandung mit dem mit den Kugeln 3 aus gestatteten Bearbeitungskopf 1 ist verfahrensökonomisch und ap parativ geringaufwendig. Die Verwendung von Kugeln 3 erbringt den Vorteil, daß die spezifischen auf die Bohrungswandung wir kenden Umformkräfte lokal relativ hoch sind, jedoch auf die Be lastung der Gesamtfläche gesehen wiederum gering. Damit wird eine effektive Bearbeitung der Bohrungswandung ermöglicht ohne daß dies an dieser zu einer Rißbildung führt. Vorteilhaft ist es, die Kugeln 3 aus Keramik, beispielsweise aus SiN auszubil den, da dieser Werkstoff sich durch eine hohe Härte, eine hohe Verschleißfestigkeit und eine geringe adhäsive Neigung zum me tallischen gegebenenfalls aus Aluminium bestehenden Wandungsma terial auszeichnet. Die Kugeln 3, die einen einheitlichen Durchmesser von 5 mm bis 20 mm besitzen, sind am Bearbeitungs kopf 1 in mehreren nebeneinanderliegenden in Umfangsrichtung des Bearbeitungskopfes 1 verlaufenden Reihen 7 angeordnet sind, wobei die Reihen 7 zueinander versetzt sind. Hierbei werden Re sonanzschwingungen bei der Bearbeitung der Bohrungswandung durch gegenseitige Auslöschung der Eigenschwingungen der ein zelnen Kugeln 3 vermieden, die zu Schäden am Werkzeug und zu Beschädigungen der Bohrungswandung führen würden. Alternativ zu den Kugeln 3 können auch als Wälzkörper eine Vielzahl von kur zen tonnenförmigen Walzen 8 zum Einsatz kommen, deren Längsach sen 9 parallel zur Längsachse 10 der Bearbeitungsspindel liegen (Fig. 3) und die auf dem Umfang des Bearbeitungskopfes 1 ver setzt angeordnet sind. Des weiteren sind als Wälzkörper gemäß Fig. 4 auch längliche Rollierwalzen 11 denkbar, die sich je weils über die Längserstreckung des Bearbeitungskopfes 1 hinweg erstrecken und so an diesem gehalten sind, daß sie die Mantel fläche 12 des Kopfes 1 mit einem Umfangsabschnitt durchragen. Die Ausstellbarkeit der Wälzkörper, die - wie oben beschrieben - fluidisch erfolgt, kann auch mechanisch mittels eines Spreiz kegeldorns bewerkstelligt werden. In einer vorteilhaften Aus gestaltung der Erfindung wird die Bearbeitungsspindel des Roll drückwerkzeuges von der einer Honmaschine gebildet. Damit kann durch einfaches Austauschen des Bearbeitungskopfes 1 für den Honstein im jeweilig anstehenden Bedarfsfall ein Werkzeug ein gespart werden. Dazu kommt in günstiger Weise, daß man sich mit der Honmaschine einer bekannten Technik bedient, deren Parame ter wie Drehgeschwindigkeit, Hubgeschwindigkeit und die hydrau lisch-elektrische Zustellung der Wälzkörper sicher beherrschbar sind.

Im Falle der Verwendung der Bohrungswandung als Zylinderlauf fläche einer Brennkraftmaschine aus Aluminium-Druckguß ergeben sich Poren in diesem Wandungswerkstoff mit einer Tiefe bis 0,3 mm, vereinzelt sogar bis 1,2 mm, die bei der Beschichtung mittels Plasmaspritzen zum einen zu einer - über die Zylinder lauffläche gesehen - ungleichmäßigen Schichtdicke führen. Zum anderen wird durch die Poren die Haftfestigkeit der Schicht verringert. Daher bietet es sich in vorteilhafter Weise an, im gegebenen Anwendungsfall die Rolldrückbearbeitung vor dem Plas maspritzen erfolgen zu lassen, da dadurch vorab die Poren durch die mit Anpreßdruck die Bohrungswandung beaufschlagenden Wälz körper quasi zugeknetet werden und somit die Zylinderlauffläche eine erheblich größere Ebenheit erhält. Damit vergrößert sich gleichmaßen die Haftfestigkeit der Schicht an der Bohrungswan dung als auch die Gleitfähigkeit der Zylinderlauffläche für den Kolbenring des Zylinderkolbens. Des weiteren kann die Schicht völlig homogen in ihrer Dicke aufgetragen werden, was die Gleitfähigkeitseigenschaften erheblich positiv beeinflußt. Zur Vergleichmäßigung der Schichtdicke ist das Rolldrücken auch nach dem Plasmaspritzen möglich. Da die Poren ein Ölrückhalte volumen für Motoröl bilden, wird durch das Schließen der Poren mittels des Rolldrückens der Ölverbrauch im Motorbetrieb und damit die Schadstoffemission bei der Verbrennung im Zylinder wesentlich reduziert. Zur Schmierung des Zylinderkolbens bleibt immer noch genügend Öl im Rauhigkeitsprofil der Zylinderlauf fläche übrig. Weiterhin wird durch das Rolldrücken eine Ober flächenverfestigung erreicht, was die Festigkeit des Leichtme talldruckgusses, der wie erwähnt aus Aluminium oder aus Magne sium bestehen kann, und damit der Zylinderlaufbahn steigert.

Im Verwendungsfall der Bohrungswandung als Lagerfläche eines Lagerstuhls einer Kurbelwelle oder als Innenfläche eines Pleu elauges einer Brennkraftmaschine ist es zweckmäßig, nach dem Plasmaspritzen die Rolldrückbearbeitung zu beginnen. Hierbei wird die aufgetragene Schicht, die beim Gleitlager etwa eine Dicke von 200 µm aufweist, vergleichmäßigt, was die Gleitfähig keitseigenschaften der Bohrungswandung verbessert, und gleichzeitig durch die Anpressung der Schicht an die Bohrungswandung durch das Einwirken der Wälzkörper in Anlehnung an das Walz plattieren zur Steigerung der Haftfestigkeit die Verbindung der Schicht mit der Bohrungswandung verstärkt. Durch die Aufbrin gung einer in dieser Weise präzisionsumgeformten Schicht können in bauteilsparender und fertigungstoleranzoptimierter Weise die Lagerschalen ersetzt werden.

Beim Rolldrücken kann für alle Anwendungsbereiche in die Roll drückvorrichtung eine von der Einrichtung umfaßte Meßvorrich tung, die beispielsweise akustisch, optisch oder taktil arbei tet, integiert werden, welche im Herstellungsprozeß der Bohrung den Durchmesser der Bohrung schrittweise oder kontinuierlich mißt und bei Erreichen des vorgegebenen Solldurchmessers veran laßt, daß das Rolldrückwerkzeug funktionslos bzw. abgeschaltet wird. Hierbei wirkt eine Signalverarbeitung der Einrichtung, die ein von der Meßvorrichtung abgegebenes Steuersignal erfaßt und einer Steuerung des Rolldrückwerkzeuges zur Beendigung des Rolldrückvorganges zuführt.

Durch die Variierbarkeit der Schichtdicke im µ-Bereich durch das Rolldrücken kann die bisherige Vielfalt an Pleuelgrundkör pern und damit an Pleuelklassen entscheidend minimiert werden, da Lagerpaarungen entfallen, die unterschiedlichste µm- Abstimmungen mit der Kurbelwelle aufweisen müssen. Grundsätz lich sind auch noch andere Anwendungsbereiche für das erfin dungsgemäße Verfahren und Einrichtung denkbar, wie beispiels weise bei Getriebewellen und Zahnrädern im Achsgetriebe.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von beschichteten Bohrungen, wobei nach Ausbildung der Bohrung die Bohrungswandung mit einem Be schichtungsmaterial plasmagespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungswandung einer Rolldrückbearbeitung unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolldrückbearbeitung nach dem Plasmaspritzen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von großporigen Wandungswerkstoffen die Rolldrück bearbeitung vor dem Plasmaspritzen erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bohrungswandung eine Zylinderlauffläche einer Brenn kraftmaschine verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bohrungswandung die Lagerfläche eines Lagerstuhls einer Kurbelwelle oder die Innenfläche eines Pleuelauges einer Brenn kraftmaschine verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während der Rolldrückbearbeitung schrittweise oder kontinu ierlich der Durchmesser der Bohrung gemessen wird und daß bei Erreichen eines vorgegebenen Solldurchmessers von der Meßein richtung ein Steuersignal ausgegeben wird, das die Rolldrückbe arbeitung beendet.

7. Einrichtung zur Herstellung von beschichteten Bohrungen mit einem Werkzeug zur Ausbildung der Bohrung und mit einer Plas maspritzvorrichtung zur Bildung der Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Rolldrückwerkzeug beinhaltet, mittels dessen die Bohrungswandung beaufschlagbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rolldrückwerkzeug sich aus einer motorisch betriebenen Bearbeitungsspindel und einem an dieser endseitig befestigten Bearbeitungskopf (1) zusammensetzt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf (1) radial ausstellbare Wälzkörper trägt, deren Wölbung der der Bohrungswandung angepaßt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper hydraulisch ausstellbar sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper mittels eines Spreizkegeldorns ausstellbar sind.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper aus einer Vielzahl von kurzen tonnenförmigen Walzen (8) bestehen, deren Längsachsen (9) parallel zur Längs achse (10) der Bearbeitungsspindel liegen.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper Kugeln (3) sind, die am Bearbeitungskopf (1) frei schwimmend gehalten sind.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (3) in radial offenen Hohlräumen (2) eines zy lindrischen Käfigs gehalten sind, der den Bearbeitungskopf (1) bildet, wobei die Öffnungen (4) der Hohlräume (2) von jeweils einem sphärischen Abschnitt (5) der Kugel (3) durchdringbar ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper aus Keramik bestehen.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper am Bearbeitungskopf (1) in mehreren neben einanderliegenden in Umfangsrichtung des Bearbeitungskopfes (1) verlaufenden Reihen (7) angeordnet sind, wobei die Reihen (7) zueinander versetzt sind.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper längliche Rollierwalzen (11) sind, die sich jeweils über die Längserstreckung des Bearbeitungskopfes (1) hinweg erstrecken.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf (1) des Rolldrückwerkzeuges an der Be arbeitungsspindel einer Honmaschine anstelle eines Honsteines angeordnet ist.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine signalabgebende Meßvorrichtung bein haltet, mittels der taktil oder optisch der Bohrungsdurchmesser erfaßbar ist, und eine Signalverarbeitung umfaßt, die ein bei Erreichen eines vorgegebenen Bohrungsdurchmessers von der Meß vorrichtung abgegebenes Steuersignal erfaßt und einer Steuerung des Rolldrückwerkzeuges zur Beendigung des Rolldrückvorganges zuführt.