DE10135618C1

DE10135618C1 - Production of cylinder faces comprises carrying out a mechanical boundary layer reinforcing step before or during at least one fine-machining step

Info

Publication number: DE10135618C1
Application number: DE2001135618
Authority: DE
Inventors: Helmut Rauch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-07-21
Filing date: 2001-07-21
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2021-07-22

Abstract

Production of cylinder faces (1) comprises carrying out a mechanical boundary layer reinforcing step before or during at least one fine-machining step. Preferred Features: The fine-machining step comprises a honing process. The boundary layer strengthening step produces a reinforced boundary layer (5) having a pre-determined minimum thickness. The thickness of the layer removed during the fine-processing step is smaller than the thickness of the reinforced layer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbahnen, insbesondere Al-Si-Laufbahnen, mit gesteigerter Verschleißfestigkeit.The invention relates to a method for producing cylinder liners, especially Al-Si raceways, with increased wear resistance.

Zylinderbuchsen von Hubkolbenmotoren sind Elemente, die sehr hohen Anforderungen genügen müssen. In Betrieb gleiten die Kolben/Kolbenringe an der Laufbahn, wobei ein der notwendigen Abdichtung des Brennraumes entsprechender Anpressdruck zur Anpressung an die Lauffläche vorherrscht. Zudem ergibt sich eine hohe thermische Belastung aus der vom Kolben zur Lauffläche abgeleiteten Wärme. Folglich wird eine verschleißfeste Lauffläche angestrebt, die eine sehr geringe Rautiefe und daraus resultierend sehr gute Laufeigenschaften aufweist, die eine bestimmte Gefügeausbildung besitzt und die eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Steifigkeit aufweist.Cylinder liners of reciprocating engines are elements that are very high Requirements have to meet. The pistons / piston rings slide in operation on the career, being one of the necessary sealing of the combustion chamber appropriate contact pressure prevails for pressing against the tread. In addition, there is a high thermal load from the piston Tread dissipated heat. As a result, a wear-resistant tread strived for a very shallow roughness and resulting very good Has running properties that has a certain microstructure and which has high thermal conductivity and high rigidity.

Zur Verschleißminderung der Zylinderlauffläche schlägt beispielsweise die DE 199 24 141 A1 ein Herstellungsverfahren vor, bei dem Zylinderlaufbuchsen aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung nach dem Eingießen in das Kurbelgehäuse zunächst grob vorbearbeitet und anschließend spanabhebend im Sinne eines Bohrens oder Drehens feinbearbeitet werden; im nachfolgenden Arbeitsschritt wird die Lauffläche zumindest einstufig gehont. Nach dem Honen der Zylinderlauffläche wird diese im folgenden abschließenden Arbeitsgang mittels eines energiereichen Fluidstrahles, der abrasive Fluidstrahl-Partikel enthält, bestrahlt, wodurch die in der Lauffläche liegenden, härter als das Grundgefüge der Legierung ausfallenden Laufbahnpartikel freigelegt werden, so dass Plateauflächen dieser harten Silizium-Primärkristalle gegenüber der sonstigen Oberfläche des Gefüges der Legierung um eine Gewisse Freilegungstiefe hervorstehen und auf diese Weise eine tragende und verschleißresistente Fläche zum Lauf des Kolbens bilden.For example, to reduce wear on the cylinder barrel surface DE 199 24 141 A1 proposes a manufacturing method in which Cylinder liners made of hypereutectic aluminum-silicon alloy after being poured into the crankcase, roughly preprocessed and then cutting in the sense of drilling or turning be finished; in the following step, the tread honed at least in one step. After honing the cylinder tread this in the following final work step by means of an energy-rich Fluid jets that contain abrasive fluid jet particles are irradiated, causing the lying in the tread, harder than the basic structure of the alloy precipitating career particles are exposed, so that plateau surfaces these hard silicon primary crystals compared to the other surface protrude from the structure of the alloy by a certain depth of exposure and in this way a load-bearing and wear-resistant surface for Form the piston barrel.

Dieses beispielhaft beschriebene Verfahren weist jedoch einige gravierende Nachteile auf. So ist aufgrund des relativ weichen Grundgefüges, in welchem die Silizium-Primärkristalle eingebettet sind, die Prozesssicherheit beim Honvorgang nur sehr begrenzt. Aufgrund der weichen Alu-Matrix verschmieren die Honleisten häufig, wodurch ein erhöhter Anpressdruck entsteht, was Formabweichungen zur Folge hat. Weiterhin entstehen beim Fertighonen leicht Riefen und Kratzer, häufig werden in der Matrix liegende Kristalle zerstört. Durch das Bestrahlen mit abrasiven Partikeln im letzten Arbeitsgang erfolgt ein nicht genau kontrollierbarer Materialabtrag, was sich negativ auf die Maßgenauigkeit auswirkt. Nicht zuletzt liegt im fertigbearbeiteten Zustand eine Alu-Matrix vor, die nur eine begrenzte Verschleißfestigkeit aufweist, so dass Schäden auftreten. Beispielsweise können im Betrieb des Motors polierte, verdichtete Flächen in der Laufbahn mit Wellenstruktur in Hubrichtung entstehen, die Kolbenringe können in Kontakt mit der Alu-Matrix gelangen und herausgebrochene Si-Kristalle können Riefen in der Zylinderlauffläche erzeugen.However, this method described by way of example has some serious ones Disadvantages. So is due to the relatively soft basic structure in which the silicon primary crystals are embedded, the process reliability at Very limited honing process. Because of the soft aluminum matrix The honing stones often smear, causing an increased contact pressure arises, which results in shape deviations. Furthermore arise at Finished honing easily scratches and scratches, often in the matrix Crystals destroyed. By blasting with abrasive particles in the last Work process takes place a not exactly controllable material removal, which is has a negative impact on dimensional accuracy. Last but not least lies in finished machined state an aluminum matrix that has only a limited Has wear resistance so that damage occurs. For example can run polished, compacted surfaces in the running of the engine with wave structure in the stroke direction, the piston rings can be in Contact with the aluminum matrix and broken out Si crystals can create grooves in the cylinder surface.

Ferner beschreibt die Veröffentlichung, Klink U. und Flores, G.: "Zylinderbohrungen in Aluminium-Silicium-Werkstoffen honen" den Abtrag der Randzonen, deren Gefüge durch die Vorbearbeitung verdichtet und verformt wurde. Nachteiliger Weise wird aber die gesamte Randzonen abgetragen, wobei die Korrektur der Zylinderform sowie die Oberflächenbeschaffenheit in Hinblick auf eine Anschließende Fluid-Freilegung von Hartstoffpartikeln im Vordergrund stehen.The publication also describes Klink U. and Flores, G .: "Honing cylinder bores in aluminum-silicon materials" the removal of the Edge zones, the structure of which is compressed and deformed by pre-processing has been. However, the entire marginal zone is disadvantageously removed, the correction of the cylinder shape as well as the surface condition in With regard to a subsequent fluid exposure of hard material particles in the Stand in the foreground.

Die DE 196 21 869 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Strahlen von Werkstückoberflächen mit einer Druckflüssigkeit und beschreibt eine sich dem Strahlen anschließende, als Gleithonen bezeichnete Nachbearbeitung, wobei gemäß der DE 196 21 869 A1 durch das Strahlen zum einen die Zylinderoberfläche von festsitzenden Verunreinigungen oder Bearbeitungsrückständen gereinigt wird und zum anderen Graphitlamellen freigelegt werden. Eine Verdichtung und somit eine Verfestigung der Zylinderoberfläche erfolgt nicht.DE 196 21 869 A1 relates to a method and an apparatus for Blasting workpiece surfaces with a hydraulic fluid and describes one following the blasting, called sliding honing Post-processing, according to DE 196 21 869 A1 by blasting on the one hand the cylinder surface of stuck impurities or Processing residues are cleaned and on the other graphite flakes be exposed. A compression and thus a consolidation of the Cylinder surface is not.

Zum weiteren technologischen Hintergrund wird auf die DE 195 11 882 A1 verwiesen, welche sich mit der Verfestigung von Werkstück-Oberflächen befasst.For further technological background, DE 195 11 882 A1 referenced, which deals with the solidification of workpiece surfaces deals.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbahnen mit gesteigerter Verschleißfestigkeit zur Verfügung zu stellen, durch welches ohne großen Aufwand sehr maßgenau Laufbahnen herstellbar sind, welche eine besonders dichte und feste Gefügestruktur aufweisen, in der harte Partikel in erhöhter Konzentration sehr fest eingebettet sind.The object of the invention is to provide a method for producing Cylinder liners with increased wear resistance are available too provide, through which very accurately dimensioned raceways can be produced, which have a particularly dense and solid structure have, in which hard particles in a very high concentration are embedded.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei der Gedanke zugrunde liegt, bei der Herstellung einen Verfahrensschritt einzufügen, in dem eine mechanische Randschichtverfestigung durchgeführt wird.According to the invention, the object is achieved with the features of Claim 1, wherein the idea is based on the manufacture of a Insert process step in which a mechanical Surface hardening is carried out.

Vorteilhaft wird das Verfahren gemäß den Unteransprüchen weitergebildet.The method is advantageously developed in accordance with the subclaims.

Der Verfahrensschritt mechanischer Randschichtverfestigung erfolgt vor oder während der Fein- bzw. Endbearbeitung, wobei durch die nachfolgende Fein- bzw. Endbearbeitung lediglich ein Teilbereich der verfestigten Randschicht abgetragen wird.The process step of mechanical surface layer hardening takes place before or during finishing or finishing, with the following Finishing or finishing is only a part of the consolidated Boundary layer is removed.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist nachfolgend ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt beispielhaft und schematisch:With reference to the drawing is a special below preferred embodiment of the invention explained in more detail. It shows exemplary and schematic:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Zylinderlaufbahn, verschiedene Bearbeitungsstadien. Fig. 1 shows a section of a cylinder raceway, various processing stages.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Zylinderlaufbahn 1 in verschiedenen Bearbeitungsstadien. Die dargestellte Zylinderlaufbahn besteht vorzugsweise aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung. Die Zylinderlaufbuchse 1 ist beispielsweise durch Stranggießen hergestellt und eingegossen oder direkt im Kurbelgehäusemonolith ausgebildet, wobei die Bohrung vorgeformt ist. Die im Umformprozess gebildete Bohrung wird beispielsweise unter Verwendung eines PFD-Schmierstoffes aufgebohrt 2, gegebenenfalls erfolgt eine weitere Grobzerspanung. Fig. 1 shows a section of a cylinder liner 1 in various processing stages. The cylinder race shown preferably consists of a hypereutectic Al-Si alloy. The cylinder liner 1 is manufactured, for example, by continuous casting and cast in or is formed directly in the crankcase monolith, the bore being preformed. The hole formed in the forming process is drilled 2, for example, using a PFD lubricant 2, if necessary, a further rough machining takes place.

Im nachfolgenden Verfahrensschritt erfolgt eine mechanische Randschichtverfestigung. Diese Kaltverfestigung kann beispielsweise durch Kugelstrahlen, Festwalzen, Schlagrollieren oder Zerspanen mit gezielt verrundeter Schneide erfolgen. Alternativ oder zusätzlich wird die Erzeugung einer verfestigten Randschicht während dem Zerspanvorgang durch das Zerspanen mit einem Werkzeug mit gezielt verrundeter Schneide beispielsweise während des Feindrehvorganges erzielt. Gegebenenfalls wird der Verfestigungsprozess durch eine entsprechende Temperierung des Bauteiles unterstützt. Durch den Verfestigungsprozess wird die Randschicht verdichtet, wodurch eine verfestigte Randschicht 5 der Dicke A erzeugt wird, in der das Gefüge besonders dicht ist, so dass eine hohe Dichte an fest eingebetteten harten Partikeln wie Siliziumprimärkristallen vorliegt. Die Dicke A der verfestigten Randschicht 5 weist eine bestimmte Mindestdicke auf, die größer ist, als die Summe der Aufmaße für die nachfolgenden Schritte der Fein- bzw. Fertigbearbeitung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel folgt nachfolgend das Feinbohren 3, wobei eine Schicht der Dicke B abgetragen wird; abschließend wird die Lauffläche unter Abtragung einer Schicht der Dicke C gehont 4, wobei eine Schicht der Dicke E der verdichteten Randschicht 5 verbleibt.In the subsequent process step, mechanical surface layer hardening takes place. This work hardening can be carried out, for example, by shot peening, deep rolling, impact rolling or machining with a specifically rounded cutting edge. Alternatively or additionally, the generation of a solidified edge layer during the cutting process is achieved by cutting with a tool with a specifically rounded cutting edge, for example during the fine turning process. If necessary, the hardening process is supported by appropriate tempering of the component. The solidification process compresses the surface layer, whereby a solidified surface layer 5 of thickness A is produced, in which the structure is particularly dense, so that there is a high density of firmly embedded hard particles such as silicon primary crystals. The thickness A of the solidified edge layer 5 has a certain minimum thickness which is greater than the sum of the allowances for the subsequent steps of finishing or finishing. In the exemplary embodiment shown, fine drilling 3 follows, with a layer of thickness B being removed; finally the tread is honed 4 by removing a layer of thickness C, leaving a layer of thickness E of the compacted edge layer 5 .

Ebenfalls besonders vorteilhaft ist die verfestigte Randschicht für den Fein- bzw. Fertigbearbeitungsvorgang. Die Zerspanung erfolgt sehr viel leichter und sicherer, wodurch die gesamte Prozesssicherheit stark erhöht wird; insbesondere beim Honen schmiert der Werkstoff nicht mehr so stark. Die verbleibende Schicht E der verfestigten Randschicht 5 bringt weitere Vorteile beim Betrieb des Motors. Beispielsweise werden die tribologischen Eigenschaften stark verbessert, es sind eine erhöhte Anzahl Si-Kristalle besonders fest in der Gefügematrix eingebettet, wodurch ein Herausbrechen und Mitführen einzelner Kristalle durch den Kolbenring vermieden und ein direkter, abrasiver Verschleiß verhindert wird. Das Gesamtgefüge weist eine hohe Festigkeit auf, so dass keine lokalen Verdichtungen der Laufbahnfläche mit Wellenstruktur in Hubrichtung auftreten.The solidified surface layer is also particularly advantageous for the finishing or finishing process. Machining is much easier and safer, which greatly increases the overall process reliability; especially when honing, the material no longer lubricates as much. The remaining layer E of the solidified edge layer 5 brings further advantages in the operation of the engine. For example, the tribological properties are greatly improved, an increased number of Si crystals are particularly firmly embedded in the microstructure, which prevents individual crystals from breaking out and being carried along by the piston ring and prevents direct, abrasive wear. The overall structure is of high strength, so that there is no local compression of the raceway surface with a wave structure in the stroke direction.

Claims

1. A method for producing cylinder raceways, in particular Al-Si raceways, with increased wear resistance, comprising at least one process step of fine machining, characterized in that a mechanical surface layer hardening is carried out in one process step before or during the at least one process step.

2. The method according to claim 1, characterized in that the at least one process step of finishing one Honing process includes.

3. The method according to claim 1, characterized in that in the step of hardening the outer layer, a hardened outer layer ( 5 ) with a predetermined minimum thickness is produced.

4. The method according to claim 3, characterized in that the thickness of the layer removed during finishing is less than the thickness of the solidified edge layer ( 5 ).