DE102004023021A1 - Ablation process for engraving surfaces especially of metal and moving and engine parts uses electron beam combined with a thermal process - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ablativen Bearbeitung von Oberflächenbereichen insbesondere metallischer Bauteile mittels Elektronenstrahl gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for ablative processing of surface areas in particular metallic components by means of electron beam according to the preamble of claim 1.
Gravuren
sind eine Form einer ablativen Bearbeitung von Bauteilen und werden
z. B. in der Druckindustrie in Oberflächen von Druckwalzen als Farbreservoirs
eingebracht (
Unter
Verwendung von Elektronen- und Laserstrahlen werden Oberflächengravuren
auch zur Markierung bzw. Beschriftung von Bauteilen genutzt (
Eine
weitere Anwendung des Gravierens mittels Laser oder Elektronenstrahl
dient der Schaffung von Schmiermittelreservoirs und damit der Verbesserung
der Laufeigenschaften, insbesondere in Zylinderlaufbuchsen (
Nicht nur im Motorenbau sondern auch im Getriebebau, in der Hydraulikindustrie und im Maschinenbau ist die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von bewegten Teilen von Interesse.Not only in engine construction but also in gearbox construction, in the hydraulic industry and in mechanical engineering is the improvement of the tribological properties of moving parts of interest.
Das gilt gleichermaßen für den hydrodynamischen Verschleiß, die Mischreibung und die Ein- bzw. Notlaufeigenschaften.The applies equally for the hydrodynamic wear, the mixed friction and the run-in or run-flat properties.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, das das Verschleißverhalten von bewegten Teilen weiter verbessert.The The present invention has as its object to provide a method create that the wear behavior further improved by moving parts.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren, welches die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale aufweist.These Task is solved according to the invention with a Method having the features listed in claim 1.
In den Ansprüchen und in der vorliegenden Beschreibung werden zwei Arbeitsbedingungen eines Elektronenstrahles und unter diesen erhaltene Prozesse am Bauteil angesprochen. Diese werden kurz als „Ablationsbedingungen" bzw. „Erhitzungsbedingungen" bzw. „ablativer Prozess" und „thermischer Prozess" bezeichnet werden.In the claims and in the present description, two working conditions of an electron beam and processes obtained thereunder Component addressed. These are called "ablation conditions" or "heating conditions" or "ablative Process "and" thermal Process " become.
Unter Ablationsbedingungen ist die Energiedichte und die momentane Verweildauer des Elektronenstrahls so gewählt, dass eine so starke lokale Energiezufuhr erfolgt, dass Material von der Oberfläche abgetragen oder unter Aufschmelzen umgelagert wird.Under Ablation conditions is the energy density and the momentary residence time of the electron beam chosen so that such a strong local energy supply takes place that material from the surface is removed or relocated with melting.
Unter Erhitzungsbedingungen wird die Energie des Elektronenstrahl durch eine definierte hochfrequente Strahlablenkung auf eine größere Fläche verteilt und in Kombination mit der Einwirkdauer ein Temperatur-Zeit-Profil im Bauteil so realisiert, dass das Material zumindest in einer oberflächennahen Schicht bzw. bis in eine geeignete Tiefe auf eine kritische Temperatur erhitzt wird, bei der das Material umgewandelt wird (z. B: eine Gefügeänderung erfährt, so dass es bei einem reschen Abkühlen (Abschrecken) gehärtet wird). Unter thermischen Prozessen sollen in den Ansprüchen und der vorliegenden Beschreibung auch solche Prozesse verstanden werden, die auf andere Weise als durch Wärme eine Materialumwandlung bewerkstelligen, wie das Härten von Kunststoffen.Under Heating conditions, the energy of the electron beam through a defined high-frequency beam deflection distributed over a larger area and in combination with the duration of exposure, a temperature-time profile realized in the component so that the material at least in a near-surface Layer or to a suitable depth to a critical temperature is heated, at which the material is converted (for example: a structural change learns so that it cools down Hardened (quenching) becomes). Under thermal processes should in the claims and the present description also covers such processes, in other ways than by heat perform a material conversion, such as hardening Plastics.
Dadurch, dass der ablative Prozess und der thermische Prozess des erfindungsgemäßen Verfahrens in der ein- und der gleichen Anlage und/oder Vorrichtung durchgeführt werden kann und nur eine entsprechende Programmierung der Strahlenergie und/oder der Ablenkbedingungen des Strahles notwendig ist, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren ohne anlagentechnischen Mehraufwand gegenüber rein ablativen oder reinthermischen Bearbeitungsverfahren durchführen.Thereby, that the ablative process and the thermal process of the inventive method in the same and the same system and / or device are performed can and only a corresponding programming of the beam energy and / or the deflection conditions of the beam is necessary, this can be inventive method without additional technical equipment compared to purely ablative or pure thermal Perform machining process.
Man erhält so mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Oberflächenbereiche von Werkstücken, die zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften eine Oberflächengravur und gleichzeitig tragende Flächen mit erhöhtem Verschleißwiderstand aufweisen.you receives so with the inventive method surface areas of workpieces, to improve the tribological properties of a surface engraving and at the same time bearing surfaces with elevated wear resistance exhibit.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für unterschiedliche Oberflächen von Bauteilen geeignet, sofern diese für den Elektronenstrahl erreichbar sind, außenliegende und innenliegende Oberflächen, sowohl für Umfangs- als auch für Stirnflächen.The inventive method is suitable for different surfaces of components, if These are accessible to the electron beam, external and internal surfaces, both for circumferential and for end surfaces.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.advantageous Further developments of the invention are specified in subclaims.
Bei einem zweistufigen Verfahren gemäß Ansprüchen 2 und 3 wird das Bauteil zweimal mit Energie beaufschlagt, wobei ablativer Prozess und thermischer Prozess in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden.at a two-stage process according to claims 2 and 3, the component is energized twice, with ablative Process and thermal process in different order be executed.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 ist im Hinblick auf die einstufige Erzeugung großer ablativ und thermisch zu behandelnder, z. B. gravierter und gehärteter Oberflächenbereiche von Werkstücken von Vorteil. Insbesondere lässt sich das Verfahren nach Anspruch 4 auch gut als Durchlauf-Verfahren verwenden.The Development of the invention according to claim 4 is highly ablative in terms of single-stage production and thermally treated, z. B. engraved and hardened surface areas of workpieces of Advantage. In particular, lets The method of claim 4 also good as a continuous process use.
Bei einem einstufigen Verfahren gemäß Anspruch 5 erfolgen die beiden Bearbeitungsschritte unter Ablationsbedingungen bzw. Erhitzungsbedingungen gleichzeitig oder zeitlich alternierend. Dies hat den Vorteil, dass man die bei der Ablation lokal in der Randschicht erzeugte Wärme (Bauteilerwärmung) für Erhitzungszwecke (einen Selbstanlassprozess) nutzen kann und dass man umgekehrt die zu Erhitzungs (z. B. Härtungs) zwecken zugeführte Energie für die Ablation von Material mit nutzen kann.at a one-step process according to claim 5, the two processing steps take place under ablation conditions or heating conditions simultaneously or alternately over time. This has the advantage of being local in ablation Edge layer generated heat (Component heating) for heating purposes (a Selbstanlassprozess) can use and that inversely the for heating (eg curing) purposes supplied Energy for can use the ablation of material with.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, das einstufig oder zweistufig durchgeführt werden kann, wobei die Reihenfolge der Prozesse (ablativ und thermisch z. B. Gravieren und Härten) variabel zu gestalten ist, während das Bauteil in seiner Position fixiert ist. D. h. diese Technologie ist besonders vorteilhaft für ebene oder nur leicht gekrümmte Flächen einsetzbar.The Method according to claim 6, which can be carried out in one or two stages, the order of the processes (ablative and thermal eg engraving and hardening) variable to shape while that Component is fixed in position. Ie. this technology is particularly advantageous for level or only slightly curved surfaces used.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7 gestattet die Erzeugung auch nicht rotationssymmetrischer und/oder lateral erweiterter Vertiefungen in der Werkstückoberfläche. Auch zur gezielten Einstellung des Tiefenprofiles der einzelnen Gravuren ist es vorteilhaft.The Method according to claim 7 also allows the production of non-rotationally symmetric and / or laterally extended depressions in the workpiece surface. Also for targeted recruitment the depth profile of the individual engravings, it is advantageous.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:below The invention will be described with reference to embodiments with reference closer to the drawing explained. In this show:
Nachstehend
werden nun unter Bezugnahme auf die
Ein
Elektronenstrahl
Hierzu
fährt der
Elektronenstrahl
Zur
Erzeugung der in
Alternativ kann man den Elektronenstrahl an einer vorgegebenen Stelle zunächst nur so lange verweilen lassen, bis ein Teil der gewünschten Vertiefung (Gravur) erstellt ist und schon dann zum nächsten mit einer Vertiefung (Gravur) zu versehenden Ort bewegen, wo eine Vertiefung (Gravur) ebenfalls nur teilweise hergestellt wird usw. Durch zyklisches Durchlaufen der verschiedenen mit Vertiefungen (Gravuren) zu versehenden Stellen der Werkstückoberfläche werden dann im Laufe der Zeit alle Vertiefungen des vom Elektronenstrahl beaufschlagten Arbeitsfeldes sukzessiv erzeugt.alternative At first, you can only electron beam at a given location let it rest until part of the desired recess (engraving) is created and then the next with a recess To move (engraving) to be provided place, where a recess (engraving) is also only partially made, etc. By cycling through the various places to be provided with depressions (engravings) the workpiece surface become then over time, all the wells of the electron beam acted upon Work field generated successively.
Nachdem
man den durch Auslenken des Elektronenstrahls erreichbaren Teil
der Werkstückoberfläche (Gravierfeld)
so mit Vertiefungen (Gravierfeld) versehen hat, wird das Werkstück
Dieses Gravieren stellt einen ablativen Prozess der Werkstückbearbeitung dar.This Engraving represents an ablative process of workpiece machining represents.
In
einem zweiten, thermischen Prozess der Werkstückbearbeitung wird dann eine
in
Man
erhält
so ein Bauteil
Bei
Elektronenstrahl-Bearbeitungsvorrichtungen, die mit einem hinreichend
leistungsfähigen
Elektronengenerator ausgestattet sind, kann man das Gravieren und
Härten
auch gleichzeitig durchführen,
wie in
Man
lässt in
diesem Falle durch entsprechende Ansteuerung der Ablenkeinheit den
Elektronenstrahl
Im
Teilfeld
Das
andere Teilfeld
Durch
inkrementweises Verschieben des Bauteils
Die
Arbeitsverhältnisse
gemäß
Die
Im
zweistufigen Verfahren werden die Gravur
Bei
der einstufigen Verfahrensvariante erfolgen gemäß
Durch Überlagerung einer Oszillationsfigur während der Einwirkung des Elektronenstrahls auf die Bauteiloberfläche lässt sich die Geometrie der Gravur variieren.By overlay an oscillation figure during the effect of the electron beam on the component surface can be the geometry of the engraving vary.
Die Gravurgeometrie kann man ferner auch dadurch beeinflussen, dass man die Fokuslage des Elektronenstrahles variiert (dynamische Über- oder Unterfokussierung bezogen auf die Werkstückoberfläche), so dass die Ablationsbedingungen zeitlich veränderlich in unterschiedlich großen Zonen erfüllt sind.The Engraving geometry can also be influenced by the fact that one varies the focus position of the electron beam (dynamic over- or Underfocusing relative to the workpiece surface), so that the ablation conditions temporally changeable in different sizes Zones met are.
Die nachstehenden Tabellen geben charakteristische Arbeitsparameter für das Elektronenstrahl(EB)-Gravieren bzw. -Härten sowie typische Kenngrößen für die Gravur und die Härteschicht wieder.The The following tables give characteristic working parameters for the Electron beam (EB) engraving or hardening as well as typical parameters for the engraving and the hardening layer again.
Generell versteht sich, dass man für das Gravieren die Verdampfungstemperatur oder beim Verdrängen von Material zumindest die Schmelztemperatur des bearbeiteten Materials überschreiten muss, während für den thermischen Prozess (z. B. das Härten) die Schmelztemperatur in der Regel nicht erreicht werden soll, wenn die Oberfläche durch den thermischen Prozess nicht mehr geändert werden soll.As a general rule it is understood that one for engraving the evaporation temperature or displacing Material at least exceed the melting temperature of the machined material must while for the thermal Process (eg hardening) the Melting temperature usually should not be achieved when the surface should not be changed by the thermal process.
Über die
Energiedichte im Elektronenstrahl und die Ablenkbedingungen kann
man die Dicke der gehärteten
Randschicht
Tabelle 1 Bearbeitunasparameter für das EB-Gravieren Table 1 Machining Parameters for EB Engraving
Tabelle 2 Arbeitsparameter für das EB-Härten Table 2 Working Parameters for EB Hardening
Tabelle 3 Typische Kerngröße für die Gravuren und die Härteschicht Table 3 Typical core size for the engravings and the hardening layer
Obenstehend wurde die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, welche das Erzeugen gehärteter gravierter Oberflächenbereiche von metallischen Werkstücken betrafen.In the above, the invention has been described with reference to exemplary embodiments, which produces hardened engraved surface areas of metallic workpieces concerned.
Es versteht sich, dass die Erfindung gleichermaßen für andere Arbeitsverfahren nutzbar ist, bei denen einerseits eine Formgebung des Werkstückes und andererseits eine Materialumwandlung gewünscht wird.It It will be understood that the invention is equally applicable to other methods of operation is, on the one hand, a shape of the workpiece and On the other hand, a material conversion is desired.
Ein Beispiel hierfür wäre ein Verfahren für die Herstellung feiner Kunststoff-Filterfolien oder feiner Kunststoffgitter, bei welchem zunächst ein dünnes Prepreg mit dem Elektronenstrahl mit feinen Durchbrechungen versehen wird (ablativer Prozess) und anschließend das gelochte Prepreg durch Beaufschlagung mit geringerer Energiedichte zum Aushärten gebracht wird (thermischer Prozess).One Example for this would be a Procedure for the production of fine plastic filter foils or fine plastic mesh, at which first a thin one Prepreg provided with the electron beam with fine openings is (ablative process) and then the perforated prepreg by Applied to lower energy density for curing becomes (thermal process).
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