DE102005018277A1

DE102005018277A1 - Verfahren und Honwerkzeug zum Honen von Verbundwerkstoffen aus metallischer Matrix und nichtmetallischen Anteilen

Info

Publication number: DE102005018277A1
Application number: DE102005018277A
Authority: DE
Inventors: Josef Schmid
Original assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Current assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-15
Also published as: DE102005018277B4

Abstract

Bei dem Verfahren zum Honen von Leichtmetall-Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren, die in der Lauffläche Hartstoffpartikel enthalten, werden zur Schmierstoffhaltung erforderliche Rillen in die vorher glatt bearbeitete Oberfläche überwiegend materialverdrängend bzw. -formend eingebracht. Dabei werden die Hartstoffpartikel nicht zerstört. Die durch die Materialverdrängung entstandenen Randwülste werden danach im Zuge einer Freilegung der Hartstoffpartikel entfernt. Durchgeführt wird dieses Verfahren mit einem wie ein Honwerkzeug aufgebauten Werkzeug in wenigen Umdrehungen und Doppelhüben, wobei auf der Honwerkzeugoberfläche die Schneidmittelkörner mit relativ großem Abstand voneinander angebracht sind, um gezielt beabstandete Rillen einzuformen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Honwerkzeug zum Honen von Verbundwerkstoffen, insbesondere von Zylinderlaufflächen aus partikel- oder faser-verstärkten Leichtmetall-Legierungen bei der Herstellung von Motorblöcken und Kurbelgehäusen für Verbrennungskraftmaschinen.
Im Motorenbau werden wegen verschiedener Vorteile häufig Leichtmetalle als Werkstoffe für Motorblöcke und damit auch für Zylinderlaufflächen eingesetzt. Auch derartige ölgeschmierte Flächen unterliegen aber einem Verschleiß, der möglichst niedrig gehalten werden soll. Gleichzeitig soll der Ölverbrauch, und zwar vor allem die verbrauchte, also verbrannte Ölmenge, gering gehalten werden.
Es hat sich gezeigt, dass Zylinderlaufflächen, auf denen hauptsächlich die Kolbenringe des Kolbens laufen, zur Haltung des Schmieröls nicht zu glatt sein dürfen, sondern Ölhaltevertiefungen enthalten sollen.
Dazu ist das sog. Plateauhonen und als weitere Verbesserung das Gleithonen entwickelt worden. Dabei wird durch ein Basishonen mit etwas groberen Schneidmitteln eine Struktur mit sich kreuzenden Honriefen geschaffen. Durch nachträgliches Glatthonen werden dann die „Gipfel" abgetragen, so dass die Oberfläche mikroskopisch aus Plateaus und dazwischen liegenden „Tälern" für die Ölhaltung besteht.
Dies ist für Zylinderlaufflächen aus Grauguß oder ähnlichen weitgehend homogenen Werkstoffen bestens geeignet. Leichtmetalle, wie Aluminium oder ähnliche Legierungen, sind aber sehr weich und damit fress- und verschleißgefährdet. Sie werden daher oft mit Hartstoffen verstärkt, die in die Metallmatrix eingelagert sind. Es können beispielsweise übereutektische Aluminium-Silicium-Legierungenverwendet werden, bei denen sich in der Metallstruktur Hartstoffpartikel aus Silicium bilden. Wenn man diese nach den vorher beschriebenen Plauteau-Honverfahren bearbeiten würde, bestünde die Gefahr, dass die im Bereich der Basis-Honriefen zerstörten Silicium-Partikel die Lauffähigkeit der Oberfläche nicht ermöglichen könnten.

Aufgabe und Lösung

Die Erfindung bezweckt, ein Honverfahren und ein Honwerkzeug zu schaffen, mit dem auch hartstoffpartikelverstärkte Oberflächen in Bezug auf Verschleißarmut, gute Lauffähigkeit und Ölhaltung sowie geringen Ölverbrauch zu bearbeiten sind.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Bei der Erfindung wird eine Strukturhonoperation verwendet, bei der die Oberfläche eine Rillenstruktur erhält, ohne dass dabei die Hartstoffpartikel in größerem Umfang, wie z.B. bei der typischen Basishonung, zerstört werden. Bei einer Verwirklichung der Erfindung geschieht das materialformend, und nicht in erster Linie materialabtragend wie beim üblichen Honen.

Vorteilhaft können die Rillen dabei einen mittleren Abstand von 50 bis 2000 μm und eine Rillentiefe zwischen 0,2 und 10 μm haben. Dieser relativ große Rillenabstand zusammen mit einer geringen Rillenbreite gewährleisten eine ausreichende Ölversorgung der Zylinderlauffläche bei gleichzeitig niedrigem Ölverbrauch. Der geringe Oberflächenanteil der Rillen, an denen das in den Rillen gehaltene Öl dem Zylinderinneren zugewendet ist, verringert die Ölverluste durch Verdampfung und mechanischen Transport in den Brennraum.

Dadurch, dass das Material zur Bildung der Rillen verformt und so wenig wie möglich abgetragen wird, werden die eingelagerten Schneidstoffpartikel kaum zertrümmert, sondern eher verdrängt oder umgangen.

Das vorher beschriebene Strukturhonen wird vorteilhaft ausgehend von einer im wesentlichen glatt gehonten Oberfläche ausgeführt. Diese kann wiederum erzeugt werden, indem eine übliche Vorhonung vorausgeschickt wird, der u.a. auch zur Form- und Maßkorrektur eingesetzt wird. Bei ihm werden zwar u.U. Hartstoffpartikel zerstört. Durch das nachfolgende Glatthonen wird dann aber die Hartstoffpartikel-Bruchstücke enthaltende Schicht abgetragen, so dass die glatte Oberfläche für das Strukturhonen entsteht.

Da sich an den Rändern der Riefen durch die Verformung u.U. Wülste, Grate oder dgl. bilden, wird vorteilhaft eine Entgrat-Honoperation nachgeschaltet, bei der gleichzeitig die Hartstoffpartikel freigelegt werden können, indem die hartstofffreie, weichere Oberfläche stärker abgetragen wird. Hierzu sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, u.a. das in der EP 0 818 271 B1 beschriebene.

Bei einer Verwirklichung der Erfindung kann bei der Strukturhon-Operation in der Oberfläche ebenfalls eine Rillenstruktur erzeugt werden, die die Hartstoffpartikel nicht zerstört, indem die Schneidmittelkörner relativ zur Oberfläche vertikal und lateral elastisch ausweichen. Die EP 0 818 271 B1 beschreibt zwar die Anordnung von Schneidstoffpartikeln in einer nachgiebigen Matrix von Honleisten, jedoch in ihrer Verwendung für die Freilegung der Hartstoffpartikel und nicht für das Material verformende Strukturhonen. Auch eine Verwendung weicherer Schneidmittel als die Hartstoffe ist möglich.

Es wird also bevorzugt ein Verfahren zum Honen von Metall-Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren geschaffen, die in der Lauffläche Partikel oder Fasern enthalten. Dazu werden zur Schmierstoffhaltung erforderliche Rillen in die vorher glatt bearbeitete Oberfläche überwiegend materialverdrängend bzw. -formend eingebracht. Dabei werden die Hartstoffpartikel nur im Bereich der Rillen teilweie zerstört. Die durch die Materialverdrängung entstandenen Randwülste werden danach im Zuge einer Freilegung der Hartstoffpartikel entfernt. Durchgeführt wird dieses Verfahren mit einem wie ein Honwerkzeug aufgebauten Werkzeug in wenigen Umdrehungen und Doppelhüben, wobei auf der Honwerkzeugoberfläche die Schneidmittelkörner mit relativ großem Abstand voneinander angebracht sind, um gezielt beabstandete Rillen einzubringen.

Die vorstehenden 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 Zwischenüberschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In der Zeichnung sind drei aufeinander folgende Verfahrensschritte schematisch und skizzenhaft dargestellt. Es zeigen:

1 ein Schnittdetail einer glatt gehonten Oberfläche mit Hartstoffpartikeleinlagerungen,

2 eine materialformend bearbeiteten Oberflächenabschnitt,

3 den in 2 dargestellten Oberflächenabschnitt im Schnitt nach einer abschließenden Glatthon-Operation und

4 eine Darstellung der Kreuzungswinkel von Honspuren.

Höhen- bzw. Tiefenverhältnisse (vertikale Abmessungen) sind in den schematischen Darstellungen stark überhöht gezeigt.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein Werkstück 11 mit einer Oberfläche 12, in das Hartstoffpartikel 13 eingelagert sind. Dargestellt sind lediglich in der Oberfläche befindliche Hartstoffpartikel. Bei ihnen kann es sich um in der Legierung unmittelbar ausgeschiedene Partikel handeln, beispielsweise um Silici um-Kristalle, die in einer übereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung entstanden sind. Es wäre aber auch möglich, nichtmetallische Anteile auf andere Weise zu erzeugen oder dem Werkstoff beizugeben. Das Werkstück 11 besteht aus einem gegenüber Grauguß oder Stahl relativ weichen Material, vorzugsweise ein Leichtmetall, wie Aluminium oder einer solchen Legierung.
Die Oberfläche 12 ist bevorzugt eine Zylinderlauffläche eines Verbrennungsmotors, die dazu bestimmt ist, mit darauf gleitenden Kolbenringen eines Kolbens ölgeschmiert zusammenzuwirken.
Die Oberfläche 12 ist makroskopisch glatt. Sie ist dadurch entstanden, dass nach einer Vor-Honoperation mit einem Honwerkzeug mit relativ groben Schneidmitteln, die hauptsächlich der Form- und Maßkorrektur diente, mittels eines Honwerkzeugs mit feinem Schneidmittel die glatte Oberfläche 12 erzeugt wurde. Dabei wurden auch Hartstoffpartikel, die durch die Basis-Honoperation zerstört wurden, mit abgetragen, so dass im wesentlichen nur fest im Material verankerte Hartstoffpartikel an der Oberfläche vorhanden sind und sich in diese im wesentlichen eben einfügen.
2 zeigt das Ergebnis der darauf folgenden Struktur-Honoperation. Diese erfolgte mit einem nicht dargestellten Honwerkzeug mit Schneidkörnern, die in üblicher Weise aus natürlichem oder künstlichem Diamant, kubischem Bornitrid (CBM), Siliciumcarbid oder anderen Schneidmittelwerkstoffen bestehen. Sie sind jedoch auf dem Honwerkzeug in relativ großem Abstand voneinander angeordnet, der sich in dem in 2 dargestellten Ergebnis durch den Abstand a zwischen zwei Rillen 14 dokumentiert. Die Zwischenbereiche 15 sind dagegen weitgehend unbearbeitet und auch beim Honwerkzeug nicht oder zumindest nicht mit grobem Schneidmittel belegt.
Die Rillen 14 entstehen nicht, wie beim üblichen Honen, durch Zerspanung bzw. Materialabtrag, sondern durch Materialverformung. Das Schneidmittelkorn, das natürlich keine so spitze Form hat, wie dies in der in vertikaler Richtung überhöhten Darstellung von 2 erscheint, pflügt oder ritzt die Oberfläche und verdrängt dabei Material zur Seite, was sich in den Wulsten 16 zu beiden Seiten der Rillen 14 zeigt. Der Abstand a zwischen den Rillen und damit auch zwischen den Schneidkörnern auf der Oberfläche des Honwerkzeugs kann 50 bis 2000 μm betragen und die Rillentiefe kann zwischen 0,2 und 10 μm liegen. Die Schneidmittelkorndichte kann zwischen 1,25 und 15 Vol.-% liegen und die Korngröße der Schneidmittelkörner kann bevorzugt zwischen 35 und 200 μm betragen. Gearbeitet wird mit einem Werkzeug ähnlich einem Honwerkzeug, das das Schneidmittel auf Honleisten oder -schalen bzw. -segmenten trägt. Es wird mit wenigen Umdrehungen und Doppelhüben gearbeitet. Vorzugsweise sollte die Zahl der Doppelhübe so gering wie möglich sein, jedoch möglichst einen vollständigen Doppelhub umfassen. Ein bis zehn Doppelhübe und 1 bis 50 Umdrehungen des Honwerkzeuges sind möglich. Der durch die beim Honen übliche Hubbewegung in Abstimmung mit der Drehung des Honwerkzeuges erzeugte Kreuzungswinkel zwischen den Rillen kann in einem üblichen Bereich zwischen 20 und 160° liegen (4).
Anschließend an das Strukturhonen wird in einer Honoperation mit feineren Schneidmitteln die in 3 schematisch dargestellte Endstruktur der Oberfläche erzeugt. Diese Honoperation trägt sowohl die Randwulste 16 der Rillen 14 ab als auch einiges Leichtmetallmaterial zwischen den durch diese Honoperation nochmals geglätteten Oberflächen 17 der Schneidstoffpartikel 13, so dass diese über die endgültige Materialoberfläche 12a etwas hervorragen und somit eine Tragstruktur aus verschleißfestem hartem Material bilden, auf der die Kolbenringe verschleißarm laufen können. Diese nachfolgende Honoperation kann mit den beschriebenen Honwerkzeugen mit nachgiebiger Matrix durchge führt werden, die von der Firma NAGEL Maschinen- und Werkzeugfabrik GmbH, Nürtingen, entwickelt wurden.
Denkbar ist auch, dass vor dem Strukturhonen eine rauhere – aber mit im Vergleich zum Strukturhonen selbst mit geringerer Riefentiefe versehene – Operation erfolgt und nach dem Strukturhonen die Plateaus feiner geglättet werden. Optional erfolgt daraufhin eine bereits beschriebene Freilegungshonung.
Durch die Erfindung wird also ein Verfahren und ein Honwerkzeug geschaffen, das in für das Honen untypischer Weise mit Materialverdrängung arbeitet und dabei in einer hartstoffpartikelverstärkten Oberfläche relativ gezielt Rillen einformt, die beste Schmierstoff-Halteeigenschaften haben, ohne dabei die Hartstoffpartikel zu zerstören.

Claims

Verfahren zum Honen faser- oder partikelverstärkter Oberflächen, insbesondere von aus Leichtmetall-Legierungen hergestellten Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Motorblöcken und Kurbelgehäusen für Verbrennungskraftmaschinen, gekennzeichnet durch eine Struktur-Honoperation, bei der in der Oberfläche (12) überwiegend materialformend eine Rillenstruktur (14) erzeugt wird, ohne die Hartstoffpartikel (13) zu zerstören.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (14) einen mittleren Abstand von 50 bis 200 μm bzw. von 0,2 bis 10 μm Rillentiefe haben.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Strukturhonen durch die Materialformung entstandene Randwulste (16) an den Seiten der Rillen (14) entfernt werden, vorzugsweise durch eine die Hartstoffpartikel (13) freilegende Bearbeitung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturhonen nach einem spanabhebenden, Riefen erzeugenden und ggf. Hartstoffpartikel zerstörenden Basis-Honvorgang und darauf folgendem Glatthonen vorgenommen wird, bei dem die Oberfläche (12) bis auf den Grund der Riefen unter Entfernung der ggf. zerstörten Hartstoffpartikel glattgehont wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturhonen mit einem Honwerkzeug mit geringer Schneidmittel-Korndichte, insbesondere von 1,25 bis 15 Vol.-%, und einer Korngröße, insbesondere von 35 bis 200 μm, in wenigen Umdrehungen und Doppelhüben, vorzugsweise 1 bis 10 Doppelhüben und 1 bis 50 Umdrehungen, durchgeführt wird.
Verfahren zum Honen hartstoffpartikelverstärkter Oberflächen, insbesondere von aus Leichtmetall-Legierungen hergestellten Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Motorblöcken und Kurbelgehäusen für Verbrennungskraftmaschinen, gekennzeichnet durch eine Struktur-Honoperation, bei der in der Oberfläche durch Schneidmittel mit geringerer Härte als die Hartstoffpartikel Rillen (14) erzeugt werden, ohne die Hartstoffpartikel (13) zu zerstören.
Verfahren zum Honen hartstoffpartikelverstärkter Oberflächen, insbesondere von aus Leichtmetall-Legierungen hergestellten Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Motorblöcken und Kurbelgehäusen für Verbrennungskraftmaschinen, gekennzeichnet durch eine Struktur Honoperation, bei der Oberfläche (12) mittels eines Honwerkzeugs mit Schneidmittelkörnern eine Rillenstruktur (14) erzeugt wird, wobei die Schneidmittelkörner relativ zur Oberfläche (12) vertikal und lateral elastisch ausweichen.
Honwerkzeug zur Durchführung des Struktur-Honverfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Honbelag mit einer Schneidmittelkorndichte von 1,25 bis 15 Vol.-% und/oder einer Korngröße von 35 bis 200 μm aufweist.
Honwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass materialformende Schneidkörner elastisch ausweichend an dem Werkzeugkörper angebracht sind.