DE102006036151A1

DE102006036151A1 - Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstückes mit einer tribologisch beanspruchbaren Fläche

Info

Publication number: DE102006036151A1
Application number: DE102006036151A
Authority: DE
Inventors: Tobias Dr.-Ing. Abeln; Oliver Kull
Original assignee: Gehring GmbH and Co KG
Current assignee: Gehring GmbH and Co KG
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-02-14
Also published as: US20080308750A1

Abstract

Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks mit einer tribologisch beanspruchbaren Fläche, bei dem in mindestens einem Verfahrensschritt die Fläche gehont und danach mittels Laserstrukturierung Taschen eingebracht werden und bei dem die Laserstrukturierung durch Ultrakurzpulse mit einer Pulsdauer von weniger als 100 ps erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks mit einer tribologisch beanspruchbaren Fläche. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel aus der EP 1 275 864 B1 bekannt. Um die Fläche so zu bearbeiten, dass sie auch unter ungünstigen Arbeitsbedingungen relativ zueinander beweglicher Teile eine sichere Schmierung durch ausreichenden hydrodynamischen Druck gewährleistet, werden in die Fläche eine Vielzahl von Taschen eingebracht, deren Umfangsrand als gratfreie Strukturkante ausgebildet ist, so dass die Taschen für die Aufnahme eines Schmiermittels geeignete Mikrodruckkammern bilden.
Bei derartigen Flächen handelt es sich beispielsweise um die Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren. Die darin beweglichen Gegenkörper sind die Kolben. Andere zu bearbeitende Flächen sind zum Beispiel Bohrungen für Ventile, Düsen, Pumpen o. ä. Es kann sich dabei aber auch um die Außenstrukturierungen an Planflächen oder Außenkonturen handeln.
Die Bearbeitung derartiger Flächen nach dem derzeitigen Stande erfolgt gemäß 1. Der erste Schritt besteht in einer Vorbearbeitung, zum Beispiel einem Vorhonen oder Feinbohren (Bild 1[a]), der zweite Schritt in einem zweiten Honvorgang (Zwischenhonen, Bild 1[b]), mit dem die Oberfläche weiter hinsichtlich Formgenauigkeit und Oberflächengüte verbessert wird. In einem dritten Schritt erfolgt dann das Einbringen von Taschen 10 im Wege einer so genannten Laserstrukturierung, also mittels Laserstrahlung. Dabei erzeugt man zum Beispiel Taschen mit circa 5 μm–35 μm Tiefe, einer Länge von 3 mm und einer Breite von 20 μm–60 μm (Bild 1[c]). Verschiedene Formen solcher Taschen sind in der oben genannten EP 1 275 864 A1 gezeigt. Bei diesem bekannten Verfahren können die in Bild 1(a) und 1(b) schematisch gezeigten Verfahrensschritte auch zusammengefasst werden. Auch dabei ergibt sich die in Bild 1(c) gezeigte Struktur mit den Graten 11, die nachfolgend durch Entgratvorgang, der im Prinzip auch ein Honvorgang ist, entfernt werden müssen.
Das Herstellen derartiger Taschen mit Hilfe von Laserpulsen ist ein hochdynamischer Vorgang, bei dem Werkstoff in kürzester Zeit erwärmt, geschmolzen, verdampft und ionisiert wird. Der durch Verdampfung entstehende Druck beschleunigt die Schmelze und treibt diese an den Rand der Abtragszone, wo sie sich teilweise ablöst, teilweise jedoch als Grat erstarrt. Ein solcher Grat 11 ist in 1 gezeigt.
Um diesen Grat zu beseitigen, findet in einem weiteren Verfahrensschritt (Bild 1[d]) ein Abtragen durch Entgraten, das im Wesentlichen auch ein Honen sein kann, statt. Dabei erfolgt auch ein weiterer Materialabtrag von den zwischen den Taschen 10 verbleibenden Flächen (12).
2 zeigt die Verhältnisse etwas weniger schematisch, nämlich bei (c) nach Durchführung der Laserstrukturierung, und bei (d) nach dem abschließenden Entgraten/Honen.
Modellbetrachtungen zum Einfluss der Pulsdauer auf die im Werkstück ablaufenden thermischen Vorgänge haben ergeben, dass eine Absenkung der Pulsdauer zwar zunächst zu einer Verringerung der Schmelzdicke führt, dass diese jedoch unterhalb von 10^–11 s (10 ps) sich kaum noch verändert und einem (fluensabhängigen) Grenzwert zustrebt. Ein analoges Sättigungsverhalten ist auch für die Verdampfungsdauer und die Zeit bis zur vollständigen Erstarrung beobachtet worden.
Eine Erklärung dafür findet sich in dem Erwärmungsverhalten auf ultrakurzer Zeitskala. Das Laserlicht tritt zunächst mit den Leitungsbandelektronen des Metalls in Wechselwirkung und heizt diese auf hohe Temperaturwerte auf. Für die Energieübertragung von den Elektronen auf die Atome des Kristallglätters ist eine Vielzahl von Stößen erforderlich. Dies führt dazu, dass die Erwärmung der Atome deutlich verzögert stattfindet. Ein Temperaturausgleich zwischen Elektronen und Gitteratomen findet somit erst nach einer materialspezifischen Relaxationszeit statt.
Der bei einer Verdampfung durch die starke Volumenzunahme erzeugte Druck führt zu einer Beschleunigung der Schmelze. Dies dient ihrem Austrieb, führt jedoch zu einer Akkumulation am Rand der Abtragszone, also zu einem Grat.
Aus diesen Gründen ist es bisher nicht gelungen, in eine gehonte Oberfläche Taschen ohne die Notwendigkeit eines anschließenden Entgratens so einzubringen, dass eine Nachbearbeitung durch einen Entgratvorgang unterbleiben kann.
Eine solche Nachbearbeitung ist also stets noch notwendig. Obwohl zur Herstellung der Mikrostrukturen in der Oberfläche zur Zeit ns-Laser, so genannte Kurzpuls-Laser, eingesetzt werden, hat man das Problem der Notwendigkeit einer Entgratung im nachfolgenden Verfahrensschritt noch nicht lösen können. Zudem entstehen bei der Laserstrukturierung zur Zeit auch Schmelzablagerungen in den Strukturen, die die Präzision der Struktur mindern.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern.
Die Lösung erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Es hat sich nun, entgegen den geschilderten Erwartungen gezeigt, dass mit Pulsdauern von weniger als 100 ps (1 ps = 1 Picosekunde = 10^–12 s, 100 ps = 10^–10 s), so genannten Ultrakurzpuls-Lasern, die Einbringung von Taschen durch Laserstrukturierung in denselben Dimensionen wie seither möglich ist, jedoch relevante Schmelzaufwürfe vermieden werden. Die Vermeidung von Schmelzaufwürfen, das heißt von Graten 11, führt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einsparung eines Prozessschrittes, nämlich des in 1 mit (d) bezeichneten Verfahrensschritts einer abschließenden Entgrat-/Honoperation. Außerdem wird die Stukturpräzision erhöht. Das heißt, dass eine Verbesserung der Taschengeometrien hinsichtlich Kantenausbildung und Strukturgrund erzielt wird, und zwar weil keine verminderte Schmelzbaddynamik vorliegt. Der Verfahrensschritt der Laserstrukturierung stellt somit die letzte Bearbeitungsoperation dar. Durch diese nachbearbeitungsfreie Erzeugung einer Laserstrukturierung werden die Fertigungskosten erheblich reduziert.
Die 3 und 4 erläutern die Ausführung.
3 zeigt schematisch die verschiedenen, zur gewünschten Laserstruktur führenden Bearbeitungsschritte, 4 ist eine vergrößerte und etwas weniger schematische Darstellung der Taschen 10 nach der Bearbeitung gemäß 3.
Die Dauer von Ultrakurzimpulsen liegt bei weniger als 100 ps (10^–10 s). Die Repetitionsrate (Frequenz) muss wesentlich höher als beim konventionellen YAG-Laser sein. Sie liegt im Bereich von einigen 100 kHz. Um jedoch den gleichen Abtrag zu erreichen wie bei der seitherigen Laserstrukturierung, wird bei der Honfrequenz eine niedrigere Energie eingesetzt, wobei die Schmelzgratbildung so gering ist, dass sie für die hier betrachteten Genauigkeits- und sonstigen Oberflächenanforderungen außer Betracht bleiben kann. Das abgetragene Material verdampft vollständig. Die Grathöhe ist auf jeden Fall kleiner als die Rauheit der vorher fertig bearbeiteten Oberfläche 12 zwischen den Taschen 10. Der Prozess ist also schmelzminimiert bis schmelzfrei. Die Rauheit der vorbearbeiteten Oberfläche liegt im Bereich der Endqualität. Diese beträgt zum Beispiel bei Zylinderlaufbahnen für Verbrennungsmotoren ≤ 3 μm RZ.
Es werden heute bereits Laser angeboten, die derartige kurze Pulse erzeugen (vergleiche http://www.laserzentrumhannover. de/kompetenzen/laserentwicklung/kurzpulslaser und https: //fgsw.uni-stuttgart.de/fsb/verband/fst.html).
Die Strahlführung kann so erfolgen, wie es zum Beispiel in der DE 20 2004 020 494.0 oder der DE 20 2005 005 905.6 U beschrieben ist.
Die erhöhte Strukturpräzision führt zudem dazu, dass die Strukturen (Taschen) schmaler und flacher ausgeführt werden können. Die hydrodynamische Wirkung und der Kapillareffekt der Taschen, der das Schmiermedium hält, wird somit optimiert. Dies führt auch im Betrieb zu besserem Schmierungsverhalten beziehungsweise zu einer besseren Sicherung der Schmierung, da der Schmierstoff lokal besser gehalten wird, einen stabilen Schmierfilm aufbaut und nicht aus der Struktur herausläuft.
Bei der Bearbeitung mit ultrakurzen Pulsen tritt, wie bereits erwähnt, keine Schmelze in relevantem Ausmaß auf. Dies hat zur Folge, dass bei der Bearbeitung von lamellarem Grauguss im Strukturgrund die Graphitlamellen freigelegt werden. Sie ragen aus dem Strukturgrund heraus. Dies trägt im Betrieb derartig bearbeiteter Flächen (zum Beispiel in Motoren) im Falle einer Mangelschmierung dazu bei, die Notlaufeigenschaften zu verbessern.
Weiterhin wird durch den Einsatz von Ultrakurzpulslasern keine beziehungsweise eine nur äußerst reduzierte Gefügeveränderung in dem bearbeiteten Material herbeigeführt.
Neben der Anwendung von laserstrukturierten Kolbenlaufbahnen in Verbrennungsmotoren ist diese Art von Stukturierung auch dort vorteilhaft einsetzbar, wo eine Nachbearbeitung durch Honen der Bohrung nicht durchgeführt werden kann, zum Beispiel Außenstrukturierungen von Planflächen oder Außenkonturen.

Claims

Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks mit einer tribologisch beanspruchbaren Fläche, bei dem in mindestens einem Verfahrensschritt die Fläche fertig bearbeitet und danach mittels Laserstrukturierung Taschen (10) eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrukturierung durch Ultrakurzpulsen mit einer Pulsdauer von weniger als 100 ps erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz 100 kHz–10 MHz beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit der durch Honen vorbearbeiteten Oberfläche im Bereich von ≤ 3 μm RZ liegt.
Werkstück mit einer gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden bearbeiteten Oberfläche.