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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung einer anschließend zu
beschichtenden Bohrungsfläche,
die aus einem Basiswerkstoff besteht, sowie ein Werkzeug nach dem
Oberbegriff das Patentanspruchs 11.
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Bohrungsinnenflächen, insbesondere
die Zylinderlaufflächen
von Verbrennungsmotoren werden, besonders dann, wenn sie aus weicheren
Materialien bestehen, wie beispielsweise Leichtmetallen, mit Beschichtungen
versehen, z.B. durch Plasmaspritzen, Flammspritzen oder Laserbeschichtung.
Diese Schichten, die später
die eigentliche, mit dem Kolben zusammenwirkende Zylinderlauffläche bilden,
müssen
an der Bohrungsfläche
des Basiswerkstücks
gut verankert sein. Es ist daher eine aufrauende Vorbehandlung nötig, die üblicherweise
durch Sandstrahlen durchgeführt
wird. Beim Sandstrahlen bleiben oft Partikel des Strahlmittels in
der Oberfläche
des Basiswerkstoffs haften, die dann später mitbeschichtet werden und
ausbrechen bzw. Riefen an Kolbenringen und Zylinderlaufflächen erzeugen
können.
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Aus
der
DE 197 13 519
C2 ist ein Vorbehandlungsverfahren bekanntgeworden, mit
dem eine Aufrauhung mittels eines Honvorganges durchgeführt wird,
der unregelmäßige mikrofeine
Riefen, Falten und Unterschnitte erzeugt. Es wird dabei neben einer
drehenden und axial oszillierenden Arbeitsweise des Honwerkzeugs
auch mit Drehrichtungsumkehr gearbeitet.
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Die
mit einer Honbearbeitung und mit den dort verwendeten Bearbeitungsgeschwindigkeiten von
0,25 bis 1 m/sec erzeugten Oberflächenrauhigkeiten von 0,5 bis
17 μm ist
für einen
guten Halt der nachfolgenden Beschichtung nicht ausreichend. Die Oberfläche von
Leichtmetallen, wie Aluminium, wird bei einem solchen Honvorgang „verschmiert". Ferner wird durch
die beim Honen stets notwendige Verwendung von Kühl/Schmierflüssigkeit
die Oberfläche
so tiefgehend verschmutzt, so dass sie vor der Beschichtung wieder
sorgfältig
gereinigt werden muss.
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Aufgabe und
Lösung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Werkzeug zur Vorbehandlung
einer anschließend
zu beschichtenden Bohrungsfläche
zu schaffen, das eine wirksame Aufrauhung der Bohrungsfläche ohne
die Notwendigkeit anschließender
Behandlung mit Reinigungsflüssigkeiten
oder Gefahr des Einschlusses von Fremdkörpern schafft.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 und das Werkzeug
nach Patentanspruch 11 gelöst.
Dadurch, dass kein Honverfahren, sondern ein zwar ähnlich einem
Honwerkzeug aufgebautes, jedoch trocken arbeitendes Werkzeug verwendet
wird, das mit sehr geringer Bearbeitungs-Umfangsgeschwindigkeit,
recht groben Schneidpartikeln und vorzugsweise mit. nur wenigen Axialhüben arbeitet,
ist es möglich,
ein Verschmieren der Bohrungsfläche
zu verhindern und auch ohne Gefahr einer Werkzeugüberhitzung
oder einem „Fressen" des Werkzeugs eine
ausreichende Aufrauhung zu erreichen. Dazu trägt auch bei, dass die schneidmittelfreien
Bereiche der Werkzeugoberfläche,
die infolge einer vorzugsweise relativ geringen Schneidpartikeldichte
entstehen, antiadhäsiv
gegenüber
dem Basiswerkstoff bzw. seinen Spänen ausgebildet sind. Auf diese
Weise lässt
sich die Bohrungsfläche
und das Werkzeug z.B. durch eine Luftabsaugung im Bearbeitungsbereich
von Spänen
befreien und somit schon während
der Bearbeitung säubern.
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Es
wird auch mit einer im wesentlichen einheitlichen Schneidpartikelgröße gearbeitet,
d.h. es wird keine zufällig
verteilte Korngröße verwendet, was
wiederum zu einer ungleichmäßigen Oberfläche führen könnte. Man
kann also eine Schneidpartikelkörnung
verwenden, die nach den gängigen
Normen (in Europa FEPA (Vereinigung der Europäischen Produzenten von Abrassivmitteln),
in den U.S.A. nach ASTM und in Japan nach JIS) als einheitlich gilt.
Das bedeutet, dass die Körner
im wesentlichen alle gleich groß sind,
wobei gewisse Toleranzen nach oben oder unten entsprechend den Vorschriften
dieser Verbände
möglich
sind. Die Größe dieser
Abweichungen hängt
dabei von der Schneidpartikelgröße und -art ab.
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Die
Verteilung der Schneidpartikel auf der mit ihnen versehenen Oberfläche sollte
eine relativ geringe Dichte haben, so dass der Abstand zwischen den
Partikeln das Ein- bis Zehnfache der Schneidpartikelabmessungen
beträgt.
Dadurch werden ausreichende Räume
zwischen den Schneidpartikeln geschaffen, die die Späne aufnehmen
und durch die diese abgeführt
werden können.
Bei dem verwendeten Werkzeug ist es vorteilhaft, wenn die mit Schneidpartikeln
versehenen Bearbeitungselemente z.B. leistenartig mit Abstand voneinander
am Umfang angeordnet sind. Es können
dann zwischen diesen Luftabsaugkanäle ausgebildet sein, über die
eine Luftabsaugung die Späne
abführt
und gleichzeitig auch für
eine gewisse Kühlung
der Bearbeitungsfläche
sorgt. Obwohl eine Absaugung wegen der danach unmittelbaren Aufnahme
der Späne
bevorzugt ist, wäre
auch ein Durchblasen von Luft denkbar. Auch in die Leisten eingeschnittene
Kanäle
sind möglich.
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Die
Schneidpartikel können
auf verschiedene Weise an der wirksamen Werkzeugfläche, d.h. den
Bearbeitungselementen, angebracht sein, beispielsweise durch Einsintern,
durch eine galvanische Beschichtung oder eine Lötbindung, die z.B. als Aktivlot
auch im Vakuum vorgenommen werden kann. Eine im wesentlichen äquidistante
Anordnung der Schneidpartikel auf den Bearbeitungselementen sorgt
dafür,
dass die Aufrauhung gleichmäßig und ohne
unnötige
Häufung
der von den Schneidpartikeln gezogenen Furchen oder Riefen in der
Bohrungsoberfläche
erfolgt.
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Die
Oberflächenanteile
des Werkzeugkörpers,
d.h. die Bindematrix der Schneid-Körner (zumindest aber der für die Schneidpartikelanordnung vorgesehenen
Flächen,
die im Folgenden als Bearbeitungselemente bezeichnet werden, und
die zwischen den Schneidpartikeln liegen), können gegenüber dem zu bearbeitenden Basiswerkstoff
antiadhäsiv
bzw. abweisend sein, was beispielsweise bei Molybdän, Eisen
und Kobalt gegenüber
Aluminium der Fall ist. Es kann aber auch zusätzlich eine Beschichtung vorgesehen
werden, die diese Eigenschaft hat, beispielsweise eine DLC-Beschichtung.
Diese Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff (diamond-like
carbon) ist gegenüber
den meisten Basiswerkstoffen antiadhäsiv und hat zusätzlich den
Vorteil, dass sie verschleißhemmend
ist. Neben DLC kommen auch echte Diamantschichten oder Schichten
aus Nitriden (z.B. Titannitrid), Carbonitriden u.ä. in Betracht.
Es ist auch möglich,
für die
Festlegung oder Einbettung der Schneidpartikel eine Beschichtung
zu wählen,
die diese antiadhäsiven
Eigenschaften hat. Die Schneidpartikel können z.B. durch einen einschichtigen
Metallbelag auf der Werkzeugoberfläche angebracht sein.
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Um
eine Beschichtung von Bohrungen, wie Zylinderlaufflächen oder
dgl., bei denen der Basiswerkstoff aus Leichtmetall besteht, gut
haltbar anzubringen, wird gemäß der Erfindung
die Bohrungsfläche
aufgerauht. Dazu wird ein Werkzeug verwendet, das drehend und axial
oszillierend antreibbar ist und dessen Arbeitsfläche mit relativ groben Schneidpartikeln
z.B. aus Diamant, Bornitrid oder anderen Hartstoffen mit relativ
geringer Partikeldichte belegt ist. Die dazwischen liegenden schneidpartikelfreien
Bereiche der Arbeitsfläche
sind gegenüber
dem Basiswerkstoff bzw. seinen Spänen antiadhäsiv ausgebildet. Dadurch ist
es möglich,
mit relativ geringer Bearbeitungsgeschwindigkeit ohne Schneid/Kühlflüssigkeit,
d.h. trocken, zu arbeiten und eine gute Rauhigkeit zu erzielen,
ohne dass die Bohrung so verschmutzt wird, dass sie anschließend vor
der Beschichtung gereinigt werden muss.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfidnung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Die
Zeichnungen zeigen
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1 einen Längsschnitt
durch ein Vorbehandlungswerkzeug und ein zu bearbeitendes Werkstück nach
der Schnittlinie I-I in 2,
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2 einen Schnitt nach der
Linie II-II in 1 und
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3 eine vergrößerte Detaildarstellung
eines Details III aus 1.
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Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
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Die 1 bis 3 zeigen ein Werkzeug 11, das zur
Vorbehandlung einer anschließend
zu beschichtenden Bohrungsfläche 12 eines
Werkstücks 13 dient,
das aus einem Basiswerkstoff besteht. Bei dem Werkstück handelt
es sich meist um Zylinder bzw. Zylinder- oder Kurbelgehäuse von
Verbrennungskraftmaschinen, die aus Leichtmetall, beispielsweise
Aluminium, Magnesium oder anderen relativ weichen Werkstoffen, ggf.
auch Grauguss, bestehen. Die Bohrungsfläche 12 der Zylinderbohrung 14 soll
anschließend
an die hier beschriebene Vorbehandlung mit einer thermischen Spritztechnik
beschichtet werden, beispielsweise durch Plasmaspritzen, Flammspritzen
oder Laserbeschichtung. Die Bohrung 14 muss zu einem guten
Halt der Beschichtung im Sinne einer Aufrauhung vorbehandelt werden.
Dazu dient das Werkzeug 11, das ähnlich einem Honwerkzeug aufgebaut
ist, jedoch einem dem Honen geradezu entgegengesetzten Zweck, nämlich dem
Aufrauhen statt dem Glätten,
dient und auch in sehr unterschiedlicher Weise, d.h. ohne die sonst üblichen
Kühlschmierstoffe
und mit für
das Honen sonst nicht verwendeten Korngrößen eingesetzt wird.
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Das
Werkzeug besitzt einen Werkzeugkörper 15,
der einen im wesentlichen zylindrischen Körper mit einer inneren Bohrung 16 aufweist.
In der Bohrung 16 ist ein doppelter Aufweitkörper 17 geführt, der
sich aus zwei hintereinandergeschalteten konischen Abschnitten zusammensetzt,
deren wirksame Abschnitte konische Flächen 18 sind. Sie
wirken mit entsprechend schrägen
Flächen
an leistenartigen Bearbeitungselementen 20 zusammen, die,
wie aus 2 zu erkennen
ist, in sternförmig
in den Werkzeugkörper 15 eingeschnittenen
Schlitzen 21 geführt
sind. Im dargestellten Beispiel sind drei Bearbeitungselemente in
gleichmäßigem Umfangsabstand
(je 120°)
im Werkzeugkörper
geführt
und stützen
sich mit ihren Schrägflächen 19 nahe
ihren axialen Enden auf den entsprechend konischen Flächen 18 des
Aufweitkörpers 17 ab.
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Die
Bearbeitungselemente 20 haben die Form schmaler Leisten
und sind hier in Umfangsrichtung zwischen 2 und 3 mm breit.
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Bei
einem Werkzeug- (bzw. Bohrungs-)Durchmesser von 80 mm würde damit
der von den Arbeitsflächen 24 der
Leisten eingenommene Umfangsbereich nur ca. ein 25stel bis 40stel
betragen.
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Schlauchfedern,
die in oberen und unteren Nuten der Bearbeitungselemente 20 liegen,
halten die Bearbeitungselemente gegen den Aufweitkörper 17 gepresst
und sorgen so für
Kontaktdruck mit diesem.
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Der
Werkzeugkörper 15 und
damit das Werkzeug 11 ist in einem Adapter 22 mittels
einer Bajonettverriegelung 23 an einer Spindel einer ähnlich einer
Honmaschine aufgebauten Bearbeitungsmaschine gelagert, die das Honwerkzeug
drehend und in axialer Richtung oszillierend antreiben kann.
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Die
Bearbeitungselemente 20 sind an ihren wirksamen, über den
Außenumfang 25 des
Werkzeugkörpers 15 vorstehenden
Arbeitsflächen 24 mit Schneidpartikeln 26 versehen
(3). Diese Schneidpartikel
bestehen aus einem Hartstoff, z.B. Diamant, Wolframcarbid, Bornitrid
oder Siliziumnitrid, und haben eine für Schneidmittel erhebliche
Größe, die
zwischen 300 und 2000 μm
liegt. Bei der in 3 dargestellten
Ausführung
sind sie in die Arbeitsfläche 24 der
Bearbeitungselemente 20 eingesintert. Sie können jedoch
auch durch einen einschichtigen Belag, Metall auf Metall, galvanisch
oder auf andere Weise an die Oberfläche gebunden sein oder darauf gelötet werden,
was insbesondere dann eine besonders gute Verbindung gibt, wenn
ein Aktiv-Lötvorgang
verwendet wird, bei dem auf die mit den Schneidpartikeln versehene
Oberfläche
eine dünne Lötfolie gelegt
wird und die Lötung
dann unter Vakuum statt findet. Dabei dringt das Lötmaterial
kapillar in alle Spalte ein und hält die Schneidpartikel gut
fest.
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Aus 3 ist auch zu erkennen,
dass die Partikeldichte auf der Arbeitsfläche 24 recht gering ist.
Der mittlere Abstand a zwischen den Schneidpartikeln 26 beträgt bevorzugt
das Ein- bis Zehnfache der Schneidpartikelabmessungen d. Die Schneidpartikel 26 werden
mit einer einheitlichen Körnung,
d.h. mit im Rahmen der Liefertoleranzen gleichen Abmessung ausgewählt. Es
wird also keine Untermischung kleiner und großer Partikel vorgenommen, sondern es
wird eine möglichst
gleichmäßige Abmessung
aller Schneidpartikel angestrebt. Auch der mittlere Abstand a zwischen
den Schneidpartikeln sollte im wesentlichen gleich, d.h. nicht zu
unterschiedlich und wahllos, gewählt
werden, um eine möglichst
gleichmäßige Arbeitsweise
zu gewährleisten.
Die Schneidpartikel 26 haben bevorzugt eine gleichförmige Struktur,
d.h. sie sind nicht zu spitzig.
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Im
dargestellten Beispiel, bei dem die Befestigung der Schneidpartikel 26 in
den Bearbeitungselementen 20 durch Einsinterung erfolgt,
ist die gesamte Oberfläche
einschließlich
der Schneidpartikel noch mit einer Beschichtung 27 versehen,
die z.B. eine DLC-Beschichtung ist (diamond-like carbon), d.h. diamantartiger
Kohlenstoff. Es kann auch Titannitrid- oder eine andere Beschichtung
verwendet werden, die die beliebige Metallmatrix des Bearbeitungselementes 20 an
der Oberfläche
gegenüber Spänen des
Basismaterials (Werkstück 13)
antiadhäsiv
macht. Als antiadhäsive
Beschichtung oder, falls keine Beschichtung vorgesehen wird, als
Werkstoff für
die Bearbeitungselemente 20, ggf. auch eine auf die Bearbeitungselemente
aufgesetzte Leiste, eignen sich beispielsweise für Aluminium Werkstoffe, wie
Molybdän,
Kobalt oder Eisen , während
Kupfer, Nickel oder Titan adhäsive
Eigenschaften haben. Während
beim Ausführungsbeispiel
nach 3 die Beschichtung 27 wegen
ihrer antiadhäsiven
Wirkung vorgesehen ist, wobei sie allerdings den vorteil haften Nebeneffekt
hat, dass sie wegen ihrer großen
Härte Verschleiß verhindert,
kann diese Beschichtung auch gleichzeitig zur Verankerung der Schneidpartikel 26 selbst
dienen.
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Das
Verfahren zum die Rauhigkeit erhöhenden
Vorbehandeln der Bohrungsfläche 12 wird
wie folgt durchgeführt:
Das
an der Maschinenspindel über
den Adapter 22 befestigte Werkzeug 11 wird mit
auf ihren geringsten Durchmesser eingezogenen Bearbeitungselementen 20 (wie
dargestellt) in die Bohrung 14 eingefahren. Dazu ist der
Aufweitkörper 17 über eine
an ihm befestigte Aufweitstange 28 innerhalb der Bohrung 16 nach
oben zurückgezogen.
Die Bearbeitungselemente 20 sind durch die Schlauchfedern
auf ihren kleinsten Durchmesser eingestellt.
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Das
Werkzeug wird dann in einer Richtung drehend und gleichzeitig axial
oszillierend angetrieben, wobei durch Nach-Unten-Drücken der
Aufweitstange 28 der Aufweitkörper 17 die Bearbeitungselemente 20 über die
Flächen 18, 19 nach
außen
drückt, so
dass sie unter Bearbeitungsdruck an der Bohrungsfläche 12 anliegen,
die Schneidpartikel in die Bohrungsfläche 12 eindringen
und dort Furchen oder Riefen bilden. Im Fall der 3 würde
zuerst die Beschichtung (DLC-Schicht) 27 wirksam werden,
nach deren Abnützung
aber die Schneidpartikel 26 selbst. Die Bearbeitung erfolgt
zwar so, dass weniger Materialabtrag vorgenommen wird, sondern hauptsächlich eine
Aufrauhung durch „Furchenziehen" erfolgt, jedoch
fallen auch Späne
an, insbesondere, weil durch die kombinierte Drehung und Oszillation
die Furchen sich unter einem von dem Verhältnis zwischen Hubgeschwindigkeit
und Umfangsgeschwindigkeit abhängigen
Winkel kreuzen.
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Die
Bearbeitung findet trocken statt, d.h. auf das beim Honen übliche Kühl/Schmiermittel
wird gänzlich
verzichtet. Die entstehenden Späne können sich
in den zwischen den Schneidpartikeln 26 liegenden, antiadhäsiv ausgebildeten
oder behandelten Bereiche 29 bewegen, ohne an der Arbeitsfläche 24 anzuhaften.
Wie in 1 strichpunktiert
angedeutet ist, kann eine Luftabsaugung 30 an die Bohrung 14 angeschlossen
werden, über
die ein ständiger
Luftstrom auch während
der Bearbeitung durch die Bohrung gezogen wird.
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Aus 2 ist zu erkennen, dass
sich zwischen der Bohrungsfläche 12 und
dem Werkzeugkörper 15 Luftabsaugkanäle 31 bilden,
die seitlich von den Bearbeitungselementen 20 begrenzt,
jedoch an den Bearbeitungsbereich 32 angeschlossen sind. Durch
die Bearbeitungsbewegung, verbunden mit dem Luftdurchsatz, werden
die Späne
von der Arbeitsfläche 24 weg
in diese Luftabsaugkanäle 31 transportiert
und durch die an ein Sauggebläse 33 angeschlossene
Absaugung vorzugsweise nach unten abtransportiert. Diese dient auch
zur Kühlung
des Bearbeitungsbereichs.
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Durch
diese infolge der geschilderten Anordnung und Gestalt der Schneidpartikel 26 sehr
wirksame Aufrauhung ist es möglich,
trotz trockener Arbeitsweise ohne unzulässige Erwärmung, Fressen oder Verschmieren
des Werkzeugs 11 oder der bearbeiteten Oberfläche eine
gleichmäßige Aufrauhung herzustellen,
die eine Größenordnung
von 30 μm
bis 100 μm
hat und Idealerweise bei 50 μm
liegt.
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Durch
die geringe Anzahl von unter sechs, bevorzugt drei schmalen, leistenförmigen Bearbeitungselementen 20,
die nur einen geringen Umfangsanteil des Werkzeugs einnehmen, können sie
Formabweichungen folgen und damit über die gesamte Bohrungsfläche 12 eine
konstante Rauhigkeit in kurzer Bearbeitungszeit erzeugen. Dieser
Aufbau und die Funktion unterscheidet sich von einer Honbearbeitung,
deren Aufgabe es ist, die Bohrungsgeometrie zu verbessern. Auch
die Spanabfuhr ist gut, wozu die damit mögliche große Breite der Kanäle 31 beiträgt.
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Die
Bearbeitungsgeschwindigkeit, die sich aus der Umfangsgeschwindigkeit
der Arbeitsfläche 24 gegenüber der
Bohrungsfläche 12 und
der Axialgeschwindigkeit der oszillierenden Bewegung zusammensetzt,
liegt zwischen 0,03 und 0,4 m/sec, vorzugsweise zwischen 0,10 und
0,24 m/sec. Trotz dieser relativ geringen Bearbeitungsgeschwindigkeit kann
in relativ kurzer Zeit, beispielsweise in nur wenigen Hüben (zwischen
2 und 20 Hüben
jeweils Auf- und Abbewegung)) die gewünschte Rauhigkeit erzielt werden,
die eine Haftung der nachfolgend aufgebrachten Beschichtung sicherstellt.
Durch die Absaugung 30 und die trockene Arbeitsweise ist
keine Zwischenreinigung erforderlich, sondern es kann unmittelbar
mit der Beschichtung begonnen werden. Dabei handelt es sich um eine
thermische Spritztechnik, wie Plasma- oder Flammspritzen, oder auch
eine Laserbeschichtung. Üblicherweise
werden die aufgebrachten Schichten, die die Zylinderlaufbahn bilden
noch durch Honen nachbe-arbeitet, so dass z.B. bei Verbrennungsmotoren
die Kolbenlaufbahn bei geringer Verschleißneigung und Ölverbrauch
gute Laufeigenschaften für
den darauf laufenden Kolben erhält.