DE10131703A1

DE10131703A1 - Lubricated cylinder surface for e.g. IC engine has annular recesses cut into it using laser

Info

Publication number: DE10131703A1
Application number: DE2001131703
Authority: DE
Inventors: Josef Schmid
Original assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Current assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2021-06-30
Also published as: DE10131703B4

Abstract

The lubricated cylinder surface (11) for e.g. an IC engine has annular recesses (13). These are cut into it using a laser. An Independent claim is included for a method for making the surface.

Description

Die Erfindung betrifft eine fluidgeschmierte Werkstückfläche, insbesondere eine Zylinderfläche von Kolben-Kraft- und -Arbeitsmaschinen, mit einer im wesentlichen glatten Oberfläche, in die Vertiefungen mittels Laserabtrag eingebracht sind. The invention relates to a fluid-lubricated workpiece surface, in particular a cylinder surface of piston engines and machines, with one in essentially smooth surface, in the recesses by laser ablation are introduced.

Die Oberfläche von Kolbenlaufbahnen, insbesondere von Verbrennungsmotoren, ist einer der Kernpunkte der Motorenentwicklung. Sie ist weitgehend mitbestimmend für das Verschleißverhalten und damit die Standzeit des Motors, seine Reibung und damit die Leistung und vor allem auch den Ölverbrauch. The surface of piston races, especially of Internal combustion engines is one of the key points in engine development. she is largely determinative of wear behavior and thus service life of the engine, its friction and thus the performance and above all that Oil consumption.

Durch das sog. Plateauhonen sind schon erhebliche Fortschritte gemacht worden. Dabei wird eine grober vorgehonte Oberfläche so nachgehont, dass zwischen den tieferen Riefen, die der Ölhaltung dienen, relativ glatte Plateaus geschaffen werden, die die Verschleißarmut und energiesparenden Lauf ermöglichen sowie das Einlaufverhalten des Motors vor allem in Hinsicht auf den Ölverbrauch verbessern. Es geht dabei immer darum, einerseits eine möglichst glatte Oberfläche zu haben und andererseits über die Zylinderlaufbahn verteilte "Ölreservoirs" zu schaffen, die ein Trockenlaufen verhindern. Beim Plateauhonen sind dies die unter einem bestimmten Winkel, beispielsweise 60°, zueinander verlaufenden tieferen Riefen zwischen den Plateaus. The so-called plateau honing has already made considerable progress Service. A rough pre-honed surface is honed so that between the deeper grooves that serve to keep oil, relatively smooth Plateaus are created that are the most wear and tear enable energy-saving running and the running-in behavior of the engine, especially in Improve in terms of oil consumption. It’s always about on the one hand to have the smoothest possible surface and on the other hand to distributed the cylinder liner to create "oil reservoirs" that a Prevent dry running. In plateau honing, these are the ones under one certain angles, for example 60 °, of deeper grooves running towards one another between the plateaus.

Es ist auch schon versucht worden, Kolbenlaufbahnen mittels eines Laserstrahls zu bearbeiten, der flächig auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet ist. Dies soll bei Zylinderblöcken aus Gusseisen die beim Honen ggf. überdeckten Graphitlamellen zur Erzeugung von Notlaufeigenschaften freilegen (DE 42 17 530 A1). Attempts have also been made to use a piston raceway To process laser beam, which is flat on the surface to be processed is directed. In the case of cast iron cylinder blocks, this is said to be the case with honing If necessary, covered graphite lamellae to create emergency running properties Expose (DE 42 17 530 A1).

Es ist ferner schon bekanntgeworden, Werkstückoberflächen mittels Laserstrahl zu bearbeiten, um Riefen/Lochstrukturen zu erzeugen (DE 43 16 012 C2). It has also become known to use workpiece surfaces Machining the laser beam to produce grooves / perforated structures (DE 43 16 012 C2).

Aufgabe und LösungTask and solution

Aufgabe der Erfindung ist es, eine fluidgeschmierte Werkstückfläche und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, die bei guter Schmiermittelhaltung auch bei hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen mit geringem Ölverbrauch auskommt. The object of the invention is a fluid-lubricated workpiece surface and to create a process for their manufacture that, with good Lubricant storage even with high thermal and mechanical loads manages with low oil consumption.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Vertiefungen Strukturen mit einem inneren, im wesentlichen auf dem Niveau der Oberfläche liegenden Vorsprung haben. This object is achieved according to the invention in that the Deepening structures with an inner, essentially at the level of Have surface projection.

Statt mit dem Laserstrahl lediglich runde "Gruben" in der Oberfläche zu erzeugen, wird durch die Erfindung vorzugsweise eine geschlossene Rillenstruktur gebildet, die einen mittleren Vorsprung einschließt. Diese kann die Form eines Kreisrings haben, jedoch auch beliebige andere Formen einnehmen, beispielsweise Rauten, Sternform etc. Eine solche Rinne hat eine mehrfach, insbesondere ständig die Richtung wechselnde und vorzugsweise gekrümmte Erstreckung. Instead of just round "pits" in the surface with the laser beam generate, is preferably a closed by the invention Groove structure formed, which includes a central projection. This can Have the shape of a circular ring, but also any other shape take, for example diamonds, star shape, etc. Such a gutter has a multiple, especially constantly changing direction preferably curved extension.

Bei der Erzeugung eines möglichst punktförmigen Loches geringen Durchmessers mit einem Laser wird selbst bei feinster Fokussierung des Lasers durch die schlagartige Aufschmelzung bzw. Verdampfung des Materials ein "Krater" ausgeworfen, der einen relativ großen Durchmesser und auch ein relativ großes Volumen hat. Hat man dagegen eine Ringstruktur mit einem inneren Vorsprung nach Art eines Stempels, dann hat die entstandene umlaufende Rinne zwar eine große Gesamtflächenüberdeckung, jedoch bei hoher spezifischer innerer Oberfläche ein geringeres Ölvolumen. Dadurch ist die Ölverdampfung aus der Rinne heraus auch bei hoher thermischer Belastung, beispielsweise im Verbrennungstakt eines Motors, sowie während einer weitgehenden Evakuierung im Ansaughub, geringer. Die Tragstruktur wird wegen des mittleren Vorsprunges weniger unterbrochen. Ferner hat die Rinne eine gesteigerte Kapillarwirkung und hält daher das Öl besser. Es ergeben sich erheblich verringerte Ölverbräuche bei Kraftfahrzeugmotoren, was ein wesentlicher Beitrag zur Umweltverträglichkeit ist. When creating a punctiform hole as small as possible Diameter with a laser is even with the finest focusing of the Laser by the sudden melting or evaporation of the Materials ejected a "crater" that has a relatively large diameter and also has a relatively large volume. On the other hand, you have a ring structure with an internal projection like a stamp, then the resulting circumferential channel has a large total surface coverage, however, with a high specific inner surface, a smaller one Oil volume. As a result, the oil evaporation from the gutter is also high thermal load, for example in the combustion cycle of an engine, as well as during an extensive evacuation in the suction stroke, less. The support structure is less because of the central projection interrupted. Furthermore, the channel has an increased capillary action and therefore lasts the oil better. This results in significantly reduced oil consumption Motor vehicle engines, which is an essential contribution to Is environmental compatibility.

Zur Herstellung der beschriebenen Strukturen kann bevorzugt eine Laserstrahlbehandlung verwendet werden, bei dem die Energiedichte auf den Außenumfang des Laserstrahls konzentriert ist. Es ist festgestellt worden, dass ein an sich auf eine Brennebene fokussierter Laserstrahl, der jedoch etwas defokussiert auftrifft, d. h. nicht in seiner Brennebene auftrifft, also etwas davor oder danach, eine Ringkeulenstruktur der Intensität hat. Dadurch entsteht dann eine im wesentlichen kreisförmige Ringstruktur. One can preferably be used to produce the structures described Laser beam treatment can be used in which the energy density is based on the Outer circumference of the laser beam is concentrated. It has been found that a laser beam that is focused on a focal plane, but that hits something defocused, d. H. does not hit its focal plane, so something before or after it has a ring lobe structure of intensity. This then creates an essentially circular ring structure.

Es ist aber auch möglich, weit außerhalb der Brennebene mit abbildungserzeugenden Mitteln, beispielsweise einer Blende, zu arbeiten oder auf andere Weise, durch Spiegelung, Brechung oder dgl., eine solche Laserstrahlstruktur zu erstellen, die ein gewünschtes "Brennbild" erzeugt. Diese entsprechende Struktur würde dann durch den Laser verkleinert gebildet werden. But it is also possible to use far outside of the focal plane imaging means, such as an aperture, to work or on other way, by reflection, refraction or the like, such To create a laser beam structure that creates a desired "burn image". This the corresponding structure would then be reduced in size by the laser become.

Die Verteilung der Strukturen, die Gesamtabmessungen zwischen 10 und 300 µm, vorzugsweise 20 bis 200 µm, eine "Rinnenbreite" zwischen 3 und 50 µm, vorzugsweise 5 bis 30 µm, bzw. eine Tiefe von 1 bis 20 µm, vorzugsweise 1 bis 10 µm, aufweist, kann stochastisch, d. h. wahllos, über die Oberfläche verteilt sein, um zwar eine gewisse Gleichmäßigkeit, jedoch kein streng geordnetes Laufbild zu erzeugen. Der durchschnittliche Abstand der Strukturen voneinander sollte so sein, dass er den 2fachen Durchmesser nicht unterschreitet, jedoch möglichst den 20fachen Durchmesser der Gesamtstruktur nicht überschreitet. The distribution of the structures, the overall dimensions between 10 and 300 microns, preferably 20 to 200 microns, a "groove width" between 3 and 50 µm, preferably 5 to 30 µm, or a depth of 1 to 20 µm, preferably 1 to 10 µm, can be stochastic, i.e. H. indiscriminately about the Surface to be distributed to a certain uniformity, however not to generate a strictly ordered moving picture. The average The distance between the structures should be such that it is 2 times Diameter not less than 20 times Diameter of the forest does not exceed.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen- Überschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit. These and other features are based on the claims the description and the drawings, the individual Features each individually or in groups in the form of Subcombinations in one embodiment of the invention and others Areas to be realized and advantageous as well as protectable Can represent designs for which protection is claimed here. The Subdivision of the application into individual sections and intermediate Headings do not limit the statements made under these their generality.

Brief description of the drawings

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen Fig. 1 eine stark vergrößerte Draufsicht auf eine Werkstückfläche in schematischer Darstellung und An embodiment of the invention is shown in the drawings and is explained in more detail below. In the drawings Fig. 1 is a greatly enlarged plan view of a workpiece surface in a schematic representation and

Fig. 2 einen schematischen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1. Fig. 2 shows a schematic section along the line II-II in FIG. 1.

Description of a preferred embodiment

Fig. 1 zeigt einen kleinen Ausschnitt einer mit einem Fluid, z. B. einem flüssigen Schmiermittel, wie Öl, fluidgeschmierten Werkstückfläche, nämlich einer Zylinderlauffläche eines Verbrennungsmotors. Sie kann aus beliebigem, dafür normalerweise verwendeten Werkstoff bestehen, beispielsweise Grauguss oder Aluminium, sowie Magnesium-Legierung. Die Werkstückfläche 11 ist durch übliche Feinbearbeitungsverfahren, beispielsweise Honen, glatt bearbeitet, d. h. mit möglichst gleichmäßiger und geringer Rauhtiefe. Fig. 1 shows a small section of a with a fluid, for. B. a liquid lubricant such as oil, fluid-lubricated workpiece surface, namely a cylinder tread of an internal combustion engine. It can consist of any material normally used for this purpose, for example gray cast iron or aluminum, as well as magnesium alloy. The workpiece surface 11 is machined smoothly by conventional fine machining methods, for example honing, ie with a surface roughness that is as uniform and as low as possible.

In der Oberfläche sind vertiefte Strukturen 12 vorgesehen, die kreisringförmig, jedoch mit gewissen Unregelmäßigkeiten in der Kreisringbegrenzung, ausgebildet sind. In the surface recessed structures 12 are provided, which are circular, but with certain irregularities in the circular boundary.

Die Strukturen sind ungleichmäßig über die Oberfläche verteilt, haben jedoch einen durchschnittlichen Abstand A voneinander, der etwas oberhalb von dem 2fachen Gesamtdurchmesser D der Ringstruktur 12 liegt. The structures are distributed unevenly over the surface, but are at an average distance A from one another which is somewhat above twice the total diameter D of the ring structure 12 .

Dieser Durchmesser D kann, abhängig von den Anforderungen an die Ölhaltung, dem Abstand A etc., zwischen 10 und 300 µm liegen (vorzugsweise 20 bis 200 µm). This diameter D can, depending on the requirements of the Oil retention, the distance A etc., are between 10 and 300 µm (preferably 20 to 200 µm).

Fig. 2 zeigt, dass der Ring aus einer umlaufenden Rinne 13 und einem mittleren Vorsprung 14 gebildet ist, der wie ein Stempel in der Mitte der Struktur hochragt und im wesentlichen auf dem Niveau 15 der Werkstückoberfläche 11 liegt. Die Ringbreite R kann zwischen 30 und 50 µm betragen (vorzugsweise zwischen 5 und 30 µm), während die Tiefe T der Rinnen 13 zwischen 1 und 20 µm (vorzugsweise 1-10 µm), liegt. FIG. 2 shows that the ring is formed from a circumferential groove 13 and a central projection 14 , which rises up like a stamp in the middle of the structure and lies essentially at level 15 of the workpiece surface 11 . The ring width R can be between 30 and 50 µm (preferably between 5 and 30 µm), while the depth T of the grooves 13 is between 1 and 20 µm (preferably 1-10 µm).

Es ist also zu erkennen, dass die Strukturen 12 eine Ringrinne mit relativ geringer Breite bilden, die aber insgesamt eine relativ große Fläche überdecken, ohne dass die Oberfläche der mit Schmiermittel gefüllten Rinne zu groß wird. It can thus be seen that the structures 12 form a ring channel with a relatively small width, but which overall cover a relatively large area without the surface of the channel filled with lubricant becoming too large.

Die Strukturen 12, die hier im wesentlichen als Kreisring gezeigt sind, können auch eine beliebige Form haben, beispielsweise eine Oval-, Langloch-, Dreiecks-, Sternform oder dgl. Man kann dies jederzeit den Bedürfnissen der Praxis anpassen und auch eine bestimmte Ausrichtung im Vergleich zur Kolbenlaufrichtung vorsehen. Die unregelmäßigen Ränder sind dadurch bedingt, dass bei den kleinen Durchmessern und dem fast explosionsartigen Verdampfen des Materials bei der Laserbehandlung kein gleichmäßiger Schnitt, sondern eine gewisse Zufallsbildung entsteht. Diese ist aber nicht nachteilig, da sie zur Ölhaltung und Erhöhung der Kapillarwirkung beiträgt. The structures 12 , which are shown here essentially as a circular ring, can also have any shape, for example an oval, elongated hole, triangular, star shape or the like. This can be adapted to practical needs at any time and also a specific orientation in the Provide comparison to the direction of piston travel. The irregular edges are due to the fact that the small diameters and the almost explosive evaporation of the material during laser treatment do not result in a uniform cut, but rather a certain randomization. However, this is not disadvantageous since it contributes to oil retention and an increase in capillary action.

Die in den Zeichnungen dargestellten Strukturen können durch Bestrahlung mit einem auf eine Brennebene gebündelten Laserstrahl erzeugt werden. Es können vorzugsweise kurzwellige bzw. gut fokussierbare Laser verwendet werden: Nd-YAG-Laser, die einfach oder frequenzverdoppelt angewendet werden können, sowie Kupfer-Dampf-Laser, die eine noch geringere Wellenlänge ermöglichen oder Kupferbromid-Laser. Dieser wird etwas defokussiert auf die Oberfläche 11 gerichtet und impulsmäßig betrieben, während der Laserstrahl, beispielsweise durch Spiegelanordnungen oder durch entsprechende Werkstückbewegung über die Oberfläche bewegt wird. Bei einer solchen Defokussierung, d. h. Auftreffen des Laserstrahls außerhalb seiner Brennebene, hat das Laser-Strahlenbündel eine Ringkeulenstruktur, d. h. seine Intensität ist im Außenbereich wesentlich stärker als im Inneren. Der Gesamtdurchmesser D der Struktur wird dabei von der nummerischen Appertur, d. h. dem Durchmesser des Laserstrahls in der Brennebene, sowie dem Versatz der Auftreffebene aus der theoretischen Brennebene bestimmt. The structures shown in the drawings can be produced by irradiation with a laser beam focused on a focal plane. Short-wave or easily focusable lasers can preferably be used: Nd-YAG lasers, which can be used once or twice as frequency, as well as copper-vapor lasers, which allow an even shorter wavelength, or copper bromide lasers. This is directed somewhat defocused onto the surface 11 and operated in a pulsed manner while the laser beam is moved over the surface, for example by mirror arrangements or by corresponding workpiece movement. With such a defocusing, ie impingement of the laser beam outside of its focal plane, the laser beam bundle has a ring lobe structure, ie its intensity is much stronger in the outside than in the inside. The overall diameter D of the structure is determined by the numerical aperture, ie the diameter of the laser beam in the focal plane, and the offset of the impact plane from the theoretical focal plane.

Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Struktur einer anderen Grundform, beispielsweise eines Dreiecks oder Sterns, kann erzeugt werden, indem der Laserstrahl weit außerhalb seiner Brennebene durch entsprechende Schlitz- oder Blendenstrukturen abgedeckt und dadurch auf die gewünschte Form gebracht wird. Dazu sind auch andere als die bereits erwähnten Lasertypen verwendbar z. B. CO2- oder Diodenlaser. A structure of another basic shape, not shown in the drawing, for example a triangle or star, can be created by the laser beam far beyond its focal plane by appropriate Slit or aperture structures covered and thereby on the desired shape is brought. There are also others than those already mentioned Laser types can be used e.g. B. CO2 or diode lasers.

In jedem Falle ist es möglich, mit jeweils einer kurzfristigen Laseranwendung eine Rinnenstruktur zu erzeugen, die eine durch die Impulslänge und Intensität bestimmte Tiefe und eine durch die Fokussierung bestimmte Breite und Form hat. Falls bei der Bildung der Struktur ein etwas erhöhter Rinnenrand entsteht, so kann dieser durch eine Honnachbearbeitung abgetragen werden, falls er stört. In any case, it is possible with one short-term Laser application to create a gutter structure, one by the pulse length and Intensity determined depth and a determined by the focus Has width and shape. If a slightly higher structure is formed Channel edge is created, this can be done by honing be removed if it bothers.

Die Erfindung ermöglicht es also, zur Verringerung des Ölverbrauchs bei Verbrennungsmotoren und ähnlichen Kolbenmaschinen die im übrigen glatt gehonte Oberfläche durch Laserbehandlung mit Rinnenstrukturen zu versehen, die in Abstand voneinander, im wesentlichen gleichmäßig, jedoch nicht genau zueinander ausgerichtet, vorgesehen sind. Jede Struktur besteht aus einer geschlossenen Rinne mit einem mittleren stempelartigen Vorsprung. Sie kann durch eine Behandlung mit einem defokussierten Laserstrahl oder auch durch entsprechende abbildungserzeugende Mittel hergestellt werden. Die Struktur überdeckt einen relativ großen Anteil der Oberfläche, ohne jedoch selbst eine sehr große Oberfläche zu haben, was der Ölverdampfung während des Betriebes der Maschine entgegenwirkt, trotzdem aber eine Ölhaltung ermöglicht. Die Strukturen können beliebige Formen haben. The invention thus makes it possible to reduce the oil consumption Internal combustion engines and similar piston machines the rest smooth honed surface by laser treatment with channel structures provided that are spaced apart, essentially evenly, but not exactly aligned with each other, are provided. Any structure consists of a closed channel with a central stamp-like Head Start. It can be treated with a defocused one Laser beam or by appropriate imaging means getting produced. The structure covers a relatively large proportion of the Surface without having a very large surface itself what counteracts oil evaporation while the machine is in operation, but still allows oil storage. The structures can be any Have shapes.

Claims

1. Fluid-lubricated workpiece surface ( 11 ), in particular cylinder surface of piston power and work machines, with an essentially smooth surface, are introduced into the depressions by means of laser ablation, characterized in that the depressions have structures ( 12 ) with an inner, essentially have ( 14 ) lying on the level ( 15 ) of the surface ( 11 ).

2. Workpiece surface according to claim 1, characterized in that the structures each form a closed channel ( 13 ), in particular an annular channel.

3. Workpiece surface according to claim 1 or 2, characterized in that the groove ( 13 ) has a multiple, in particular constantly changing, preferably curved extension.

4. workpiece surface according to one of the preceding claims, characterized in that the structures overall dimensions (D) from 10 to 300 µm, preferably 20 to 200 µm, a gutter wide (R) between 3 and 50 µm, preferably 5 to 30 µm, a Depth (T) of 1 to 20 µm, preferably 1 to 10 µm, and / or one Distance (A) from each other in the order of 2 to 20 times of the overall dimensions (D) of the structure.

5. Workpiece surface according to one of the preceding claims, characterized in that the structures ( 12 ) are stochastically distributed over the workpiece surface.

6. A method for producing workpiece surfaces according to one of the preceding claims, characterized in that the surface ( 11 ) is treated with a laser beam which has a beam structure which is concentrated on its outer circumference with respect to its energy density.

7. The method according to claim 6, characterized in that the laser beam focused on a focal plane strikes the surface ( 12 ) defocused.

8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the beam structure of the Laser beam applied through outside of its focused area imaging agents, e.g. B. Apertures is generated.

9. The method according to any one of claims 6 to 8, characterized characterized that the smooth surface by honing before Laser treatment for generating a base surface is generated and if necessary following the laser treatment to remove any Slag, throwing up, melt droplets etc. a honing treatment is provided.