DE10131703B4 - Fluid-lubricated workpiece surface, in particular cylinder surface of piston machines, and method for their production - Google Patents
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Abstract
Fluidgeschmierte Werkstückfläche (11) in Form einer Zylinderfläche von Kolben-Kraft- und -arbeitsmaschinen, mit einer im Wesentlichen glatten Oberfläche, in die Vertiefungen mittels Laserabtrag eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen Strukturen (12) mit einem inneren, im Wesentlichen auf dem Niveau (15) der Oberfläche (11) liegenden Vorsprung (14) haben und dass jede der Strukturen eine geschlossene, von den Rinnen benachbarter Strukturen gesonderte Ringrinne (13) mit einer ständig die Richtung wechselnden gekrümmten Erstreckung aufweist.Fluid lubricated workpiece surface (11) in the form of a cylindrical surface of piston force and work machines, having a substantially smooth surface, are introduced into the wells by laser ablation, characterized in that the wells structures (12) having an inner, substantially have the projection (14) lying at the level (15) of the surface (11), and that each of the structures has a closed annular groove (13) separate from the grooves of adjacent structures and with a curved extension that constantly changes direction.
Description
Anwendungsgebiet und Stand der TechnikField of application and state of the art
Die Erfindung betrifft eine fluidgeschmierte Werkstückfläche in Form einer 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 the form of a cylindrical surface of piston-power and -working machines, with a substantially smooth surface, are introduced into the wells by means of laser ablation.
Die Oberfläche von Kolbenlaufbahnen, insbesondere von Verbrennungsmotoren, ist einer der Kernpunkte der Motorenentwicklung. Sie ist weitgehend mitbestimmend für das Verschleißverfahren und damit die Standzeit des Motors, seine Reibung und damit die Leistung und vor allem auch den Ölverbrauch.The surface of piston raceways, especially internal combustion engines, is one of the key points of engine development. It is largely responsible for the wear process and thus the service life of the engine, its friction and thus the performance and, above all, the 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.Considerable progress has already been made through the so-called plateau honing. A coarse pre-honed surface is honed so that relatively smooth plateaus are created between the deeper grooves, which serve the oil attitude, which allow low wear and energy-saving run and improve the running-in behavior of the engine, especially in terms of oil consumption. It is always about on the one hand to have the smoothest possible surface and on the other hand to create distributed over the cylinder bore "oil reservoirs" that prevent dry running. In the case of plateau honing, these are the deeper grooves between the plateaus at a certain angle, for example 60 °, to one another.
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 (
Es ist ferner schon bekannt geworden, Werkstückoberflächen mittels Laserstrahl zu bearbeiten, um Riefen/Lochstrukturen zu erzeugen (
Die
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 to provide a fluid-lubricated workpiece surface and a method for its production, which manages with good lubricant retention even at high thermal and mechanical stresses with low oil consumption.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Werkstückfläche mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 6.This object is achieved according to the invention by a workpiece surface having the features of
Statt mit dem Laserstrahl lediglich runde „Gruben” in der Oberfläche zu erzeugen, wird durch die Erfindung 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 gekrümmte Erstreckung.Instead of producing only round "pits" in the surface with the laser beam, a closed groove structure is formed by the invention, which includes a central projection. This may have the shape of a circular ring, but also take any other forms, such as diamonds, star shape, etc .. Such a channel has a multiple, in particular constantly changing direction curved extent.
Bei der Erzeugung eines möglichst punktförmigen Loches geringen Durchmessers mit einem Laser wird selbst bei feinster Fokussierung 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 Evakurierung im Ansaughub, geringer. Die Tragstruktur wird wegen des mittleren Vorsprungs 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 producing a punctiform hole of small diameter with a laser, a "crater" is ejected, even with the finest focus of the material, which has a relatively large diameter and also a relatively large volume. On the other hand, if you have a ring structure with an inner projection in the manner of a punch, then the resulting circumferential groove has a large total surface coverage, but at high specific inner surface a lower oil volume. As a result, the oil evaporation from the channel is lower even at high thermal load, for example in the combustion cycle of an engine, as well as during extensive evacuation in the intake stroke. The support structure is interrupted less because of the central projection. Furthermore, the channel has an increased capillary action and therefore keeps the oil better. This results in significantly reduced oil consumption in motor vehicle engines, which is a significant contribution to environmental sustainability.
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.For producing the structures described, a laser beam treatment in which the energy density is concentrated on the outer periphery of the laser beam may be preferably used. It has been found that a laser beam which is focused on a focal plane and impinges on it somewhat out of focus, that is to say in the case of a focal plane. H. does not hit its focal plane, so before or after, has a ring-lobe structure of intensity. This then creates a substantially 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.However, it is also possible to work far away from the focal plane with image-generating means, for example a diaphragm, or in another way, by reflection, refraction or the like. To create such a laser beam structure that produces a desired "focal point". This corresponding structure would then be made smaller by the laser.
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 2-fachen Durchmesser nicht unterschreitet, jedoch möglichst den 20-fachen Durchmesser der Gesamtstruktur nicht überschreitet.The distribution of the structures, the overall dimensions between 10 and 300 .mu.m, preferably 20 to 200 .mu.m, a "channel width" between 3 and 50 .mu.m, preferably 5 to 30 .mu.m, or a depth of 1 to 20 .mu.m, preferably 1 to 10 microns , has, may be stochastic, d. H. indefinitely distributed over the surface to produce a certain uniformity, but not a strictly ordered motion picture. The average distance of the structures from each other should be such that it does not fall below 2 times the diameter, but preferably does not exceed 20 times the diameter of the overall structure.
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 will become apparent from the claims but also from the description and drawings, wherein the individual features each alone or more in the form of sub-combinations in an embodiment of the invention and in other fields be realized and advantageous and protectable Represent embodiments for which protection is claimed here. The subdivision of the application into individual sections as well as intermediate headings does not restrict the general validity of the statements made thereunder.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Die Zeichnungen zeigenAn embodiment of the invention is illustrated in the drawings and will be explained in more detail below. The drawings show
Beschreibung eines bevorzugten AusführungsbeispielsDescription of a preferred embodiment
In der Oberfläche sind vertiefte Strukturen
Die Strukturen sind ungleichmäßig über die Oberfläche verteilt, haben jedoch einen durchschnittlichen Abstand A voneinander, der etwas oberhalb von dem 2-fachen Gesamtdurchmesser D der Ringstruktur
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 may, depending on the requirements for oil maintenance, the distance A, etc., be between 10 and 300 microns (preferably 20 to 200 microns).
Es ist also zu erkennen, dass die Strukturen
Die Strukturen
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
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, for example a triangle or a star, which is not shown in the drawing, can be produced by covering the laser beam far outside its focal plane by means of corresponding slit or diaphragm structures and thereby bringing it to the desired shape. For this purpose, other than the already mentioned types of lasers can be used z. b. CO2 or diode laser.
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 to use a short-term laser application to produce a channel structure having a depth determined by the pulse length and intensity and a width and shape determined by the focusing. If the formation of the structure results in a slightly raised channel edge, it can be removed by honing if it interferes.
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 in internal combustion engines and similar piston machines to provide the otherwise smooth honed surface by laser treatment with gutter structures, which are at a distance from each other, substantially evenly, but not precisely aligned. Each structure consists of a closed channel with a central punch-like projection. It can be prepared by treatment with a defocused laser beam or by appropriate imaging agents. The structure covers a relatively large portion of the surface, but without itself having a very large surface, which counteracts the evaporation of oil during operation of the machine, but still allows for oil retention. The structures can have any shapes.
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