DE102006062502B4 - Verwendung einer Vorrichtung zur Behandlung von Laufbahnen von Zylinderräumen von Motorblöcken für Verbrennungsmotoren - Google Patents

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Abstract

Verwendung einer Vorrichtung zur Behandlung von Laufbahnen (7) von Zylinderräumen (Z1-Z4) von Motorblöcken (M) für Verbrennungsmotoren, wobei die Vorrichtung umfasst:
– mindestens eine Laserstrahlquelle (8, 108, 108'), und
– mindestens zwei Belichtungseinrichtungen (2–5, 102, 103, 102', 103'), von denen jeweils eine einer der zu behandelnden Flächen (7) zugeordnet ist und die den in sie geleiteten Laserstrahl (X, X') auf die zu bearbeitende Fläche (7) lenken,
– wobei eine erste im Betrieb fest angeordnete Umlenkeinrichtung (15, 115, 115') vorgesehen ist, auf die der der jeweiligen Belichtungseinrichtung (2–5, 102, 103, 102', 103') zugeordnete Laserstrahl (X, X') nach seinem Austritt aus der Laserstrahlquelle (8, 108, 108') trifft,
– wobei die erste Umlenkeinrichtung (15, 115, 115') den Laserstrahl (X, X') jeweils zu einer weiteren im Betrieb ebenfalls fest angeordneten Umlenkeinrichtung (16–19, 116, 117, 116', 117') umlenkt, welche den Laserstrahl (X, X') in diejenige Belichtungseinrichtung (2–5, 102, 103, 102', 103') leitet,...

Description

  • Um an Flächen, die im praktischen Einsatz einer Reibbelastung unterworfen sind, eine Schicht zu erzeugen, die auf Grund ihrer Oberflächeneigenschaften, ihres Gefüges oder ihrer Zusammensetzung eine besonders hohe Verschleißfestigkeit besitzt, werden Vorrichtungen eingesetzt, die einen Laserstrahl mittels geeigneter Umlenkspiegel auf die zu behandelnde Fläche richten.
  • Soll auf diese Weise eine bestimmte Oberflächenstruktur erzeugt werden, so wird, wie beispielsweise in der deutschen Patentschrift DE 197 11 232 C2 beschrieben, ein Laserstrahl so lange auf das die jeweilige Fläche tragende Grundmaterial gerichtet, bis die angestrebte Einebnung bzw. Aufrauung erreicht ist.
  • Gemäß der EP 1 041 173 A1 ist es zudem möglich, mit einem Laserstrahl den von ihm jeweils getroffenen Oberflächenabschnitt so weit aufzuschmelzen, dass gezielt eine Änderung des Gefüges herbeigeführt oder eine Änderung der Zusammensetzung des Grundmaterials durch Hinzufügen von härtesteigernden Elementen erfolgen kann.
  • In der Praxis werden Vorrichtungen der voranstehend genannten Art unter anderem zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderlaufflächen von Motorblöcken für Verbrennungsmotoren eingesetzt. Diese Flächen sind im praktischen Einsatz hohen Reibbelastungen auf Grund der Relativbewegungen ausgesetzt, die der sich in dem Zylinderraum jeweils auf- und abbewegende Kolben ausführt.
  • In der Praxis besteht eine besondere Anforderung bei der Behandlung der Laufbahnen von Zylindern eines Motorblocks darin, die Behandlung so schnell durchzuführen, dass die jeweils in den Gesamtablauf der Motorenfertigung passenden Taktzeiten eingehalten werden.
  • Zur Behandlung der zylindrisch gekrümmten Flächen der Zylinderräume wird üblicherweise eine um die Längsachse des jeweils bearbeiteten Zylinderraums drehend angetriebene Belichtungseinrichtung eingesetzt, die bei stehendem Werkstück in den jeweils zu behandelnden Zylinderraum eingeführt wird. Der Laserstrahl wird dabei so geführt, dass er koaxial oder achsparallel (paraxial) zur Längsachse des jeweiligen Zylinderraums in die Belichtungseinrichtung fällt. Der Laserstrahl trifft dann auf eine Umlenkoptik der Belichtungseinrichtung, die in der Regel aus einem mit einem Linsensystem kombinierten Umlenkmodul gebildet ist und den Laserstrahl in Richtung der zu behandelnden Fläche projiziert.
  • Durch die Rotation der Belichtungseinrichtung im Bereich des Bearbeitungskopfes wird umlaufend jeweils eine begrenzte Bahn der zu behandelnden Fläche mit dem Laserstrahl belichtet. Sobald die Bearbeitung des jeweiligen Abschnitts der zu behandelnden Fläche abgeschlossen ist, wird die gesamte Belichtungseinrichtung in axialer Richtung verschoben und der an den zuvor bearbeiteten Streifen angrenzende Streifenabschnitt bearbeitet. Alternativ ist es auch möglich, die Umlenkoptik kontinuierlich in axialer Richtung der jeweils bearbeiteten Öffnung zu bewegen, so dass der Laserstrahl in einem wendelförmigen Streifenverlauf über die zu bearbeitende Fläche geführt wird.
  • Der Vorteil der Rotation der Umlenkoptik besteht darin, dass geringe Massen beschleunigt und abgebremst werden müssen und so höhere Drehzahlen realisiert werden können, der Wechsel von einem auf einen anderen Zylinder schneller erfolgen kann und mehrere Zylinder eines Blocks simultan bearbeitet werden können. Auch können für die Verstellung der Optik in Achsrichtung Stelleinrichtungen eingesetzt werden, die auf Grund der geringen bewegten Massen hinsichtlich ihrer Stellgenauigkeit optimiert sind.
  • In der Praxis zeigt sich allerdings, dass zur simultanen Bearbeitung von mehreren Zylindern eines Motorblocks ein so großer apparativer Aufwand getrieben werden muss, dass diese Art der Bearbeitung trotz der dadurch erzielten Minimierung der pro Bearbeitungsvorgang aufgewendeten Taktzeit wirtschaftlich nicht vertretbar ist. Daher ist man dazu übergegangen, die Bearbeitung die Laufflächen der einzelnen Zylinder eines Motorblocks nacheinander zu bearbeiten. Dabei wird der Motorblock bei stehender Belichtungseinrichtung mit dem jeweils zu bearbeitenden Zylinder schrittweise unter den Bearbeitungskopf der Belichtungseinrichtung bewegt. Die dazu erforderliche Zeit führt allerdings dazu, dass mit einem solchen Prozess die heute an den Durchsatz von im Bereich der Motorenfertigung eingesetzten Maschinen gestellten Anforderungen kaum erfüllt werden können.
  • Um dieses Problem zu lösen, ist in der EP 1 738 859 A1 eine ebenfalls sequentiell arbeitende Vorrichtung vorgeschlagen worden, bei der jedem Zylinderraum, dessen Lauffläche behandelt werden soll, jeweils eine drehbar angetriebene Belichtungsoptik zugeordnet ist. Die Belichtungsoptiken sind dabei an einem quer zu ihren Drehachsen ausgerichteten Hohlträger befestigt, der mit einer Hubeinrichtung verkoppelt ist, um die Belichtungsoptiken in die Zylinderräume absenken bzw. aus ihnen herausbewegen zu können. Über eine seitliche Öffnung wird ein Laserstrahl in den Hohlträger geleitet, der dort auf Spiegel trifft, die aus einer Umlenk- in eine Nichtgebrauchsstellung verstellbar sind. Im praktischen Einsatz befindet sich jeweils einer der Spiegel in Umlenkstellung, in der er den Laserstrahl in die ihnen jeweils zugeordnete Belichtungsoptik lenkt, während die in Einfallrichtung des Laserstrahls gesehen vor dem in Umlenkstellung stehenden Spiegel angeordneten Spiegel in die Nichtgebrauchsstellung geschwenkt sind, in der sie den Laserstrahl ungehindert zu dem in Umlenkstellung befindlichen Spiegel durchlassen. Auf diese Weise können die Laufflächen der einzelnen Zylinderbohrungen mit einem einzigen Laserstrahl nacheinander behandelt werden. Jedoch ist festgestellt worden, dass die Bearbeitungsergebnisse, die an den Laufflächen eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors mit einer Laserbehandlungsvorrichtung der bekannten Art erzielt werden, Abweichungen voneinander zeigen.
  • Neben dem voranstehend diskutierten Stand der Technik ist aus der EP 0 728 342 B1 eine Vorrichtung zum Markieren von Werkstücken mit geringen Abmessungen, insbesondere von integrierten Schaltkreisen bekannt, die eine Laserstrahlquelle und drei Belichtungsstationen aufweist, von denen jeweils eine der zu behandelnden Flächen zugeordnet ist und die den in sie geleiteten Laserstrahl auf die zu bearbeitende Fläche lenken. Dabei ist eine erste im Betrieb fest angeordnete Umlenkeinrichtung vorgesehen, auf die der der jeweiligen Belichtungsstation zugeordnete Laserstrahl nach seinem Austritt aus der Laserstrahlquelle trifft. Die erste Umlenkeinrichtung lenkt den Laserstrahl jeweils zu einer weiteren im Betrieb ebenfalls fest angeordneten Umlenkeinrichtung um. Diese zweite fest angeordnete Umlenkeinrichtung leitet den Laserstrahl nicht direkt in die jeweilige Belichtungsstation, sondern zu Spiegeln einer Scannereinrichtung. Erst diese lenken den jeweils auf sie fallenden Strahl zu der jeweiligen Belichtungsstation. Dem Scanner kommt dabei die Aufgabe zu, den auf ihn fallenden Laserstrahl jeweils so abzulenken, dass das auf den Platten zu erzeugende, als Markierung dienende Punktmuster in der richtigen Weise abgebildet wird. Dazu werden die auf einer gemeinsamen Achse angeordneten Spiegel mittels eines Motors verstellt. Dabei sind die vom Laserstrahl jeweils zurückgelegten Wege bis zum Auftreffen auf die jeweils zu markierende Stelle nicht gleich. Dies mag zwar bei einer Markierung von Bauteilen keine Rolle spielen, wirkt sich aber auf die Gleichmäßigkeit des beim quasi gleichzeitig erfolgenden Belichten von mindestens zwei separaten Zylinderflächen eines Verbrennungsmotors deutlich aus.
  • Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine für das Behandeln von Laufflächen von Zylindern von Verbrennungsmotoren verwendbare Vorrichtung zu benennen, mit der es auf wirtschaftliche Weise und geringem apparativen Aufwand möglich ist, ein gleichförmiges Behandlungsergebnis für alle behandelten Laufflächen zu erzielen.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Verwendung einer gemäß Anspruch 1 ausgebildeten Vorrichtung gelöst worden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Bei einer erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung werden mindestens zwei Belichtungseinrichtungen eingesetzt, so dass mindestens zwei Flächen gleichzeitig jeweils einer Belichtungseinrichtung zugeordnet werden können. Auf diese Weise ergibt sich beispielsweise bei der Bearbeitung der Laufflächen der Zylinderräume von Verbrennungsmotoren mit einer geradzahligen Zylinderzahl eine annähernde Halbierung der Bearbeitungszeiten. Auf ein Minimum reduziert werden kann die Bearbeitungszeit pro Motorblock dementsprechend dadurch, dass jedem zu bearbeitenden Zylinderraum des betreffenden Motorblocks eine Belichtungseinrichtung zugeordnet wird, so dass alle Laufflächen aller Zylinder eines Motorblocks gemeinsam von der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung angefahren werden können.
  • Der bei konventioneller Vorgehensweise stets unvermeidbare Zeitbedarf für das Verfahren des jeweiligen Werkstücks unter die Belichtungseinrichtung entfällt bei einer erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung. Stattdessen verharrt das Werkstück während der Bearbeitung der zu behandelnden Flächen in einer erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung an einer Stelle. Besonders günstig wirkt sich dies bei der Behandlung der Laufflächen der Zylinderräume eines Motorblocks aus. Gerade bei der Bearbeitung eines solchen Werkstücks erlaubt die Erfindung nicht nur eine exakte Ausrichtung der Optik der einzelnen Belichtungseinrichtungen mit einem für alle Zylinder gleichermaßen guten Bearbeitungsergebnis, sondern führt auch zu einer deutlichen Verkürzung der Bearbeitungszeit.
  • Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung besteht darin, dass jeweils eine der Umlenkeinrichtungen als Referenz für die Justage der anderen Umlenkeinrichtungen genutzt werden kann. Die sich dadurch ergebende Verkürzung des Zeitbedarfs für die Justage der einzelnen Belichtungseinrichtungen trägt ebenfalls zu einer Verkürzung des gesamten Zeitbedarfs für die Bearbeitung eines kompletten Werkstücks in einer erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung bei.
  • Dadurch, dass bei einer erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung die Einspeisung des Laserstrahls und die Umlenkeinrichtung so aufeinander abgestimmt sind, dass die von den Laserstrahlen zwischen dem Austritt aus der Laserstrahlquelle bis zum Eintritt in die jeweilige Belichtungseinrichtung zurückgelegte Strecke jeweils gleich ist, ist eine hohe Strahlstabilität gesichert. Auf diese Weise sind die Divergenz des Laserstrahls und somit die Anforderung an die strahlformende Optik für alle bearbeiteten Flächen im Wesentlichen gleich, so dass trotz des Strahlversatzes bei der Bearbeitung durch unterschiedliche Belichtungseinrichtungen für alle Werkstückflächen ein im Wesentlichen identisches Behandlungsergebnis gewährleistet ist.
  • Besonders positiv auf die Präzision und Reproduzierbarkeit des Behandlungsergebnisses wirkt sich aus, dass bei einer erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung die zwischen der Laserstrahlquelle und der Belichtungseinrichtung angeordneten Umlenkeinrichtungen während des Betriebs fest stehen. Auf diese Weise besteht bei einer erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung keine Gefahr einer Dejustage während des Bearbeitungsbetriebes. Darüber hinaus sind weder Antriebseinheiten oder Verkabelungen für die Energie- und Signalübertragung im Bereich der Umlenkeinrichtungen erforderlich.
  • Mit der Erfindung steht somit eine Vorrichtung zur Verfügung, die bei hoher Betriebssicherheit und Verfügbarkeit die Behandlung von insbesondere zylindrischen Flächen metallischer Werkstücke innerhalb kurzer Bearbeitungszeiten mit optimalen Arbeitsergebnissen ermöglicht.
  • Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist die erfindungsgemäß verwendete Vorrichtung so eingerichtet, dass die Mittelpunkte der Auftreffbereiche, in denen die den Belichtungseinrichtungen zugeordneten Laserstrahlen die jeweilige erste Umlenkeinrichtung treffen, auf einer Geraden angeordnet sind, die in derselben Ebene liegt wie die Drehachsen der Belichtungseinrichtungen. Durch diese Zuordnung von Laserquelle, Umlenkeinrichtungen und Belichtungseinrichtung können auf konstruktiv einfache Weise die für alle Belichtungseinrichtungen gleich langen Strahlenwege des Laserstrahls bewerkstelligt werden.
  • Alternativ kann die Einleitung der Laserstrahlen in die Belichtungseinrichtung auch so erfolgen, dass mindestens einer der Belichtungseinrichtung neben der jeweiligen ersten Umlenkeinrichtung, auf die der aus der Laserstrahlquelle austretende Laserstrahl trifft, und der weiteren Umlenkeinrichtung, die den Laserstrahl in die Belichtungseinrichtung leitet, mindestens eine zusätzliche, zwischen die erste und die weitere Umlenkeinrichtung geschaltete Umlenkeinrichtung zugeordnet ist, auf die der von der ersten Umlenkeinrichtung abgelenkte Laserstrahl trifft und die den Laserstrahl zu der weiteren Umlenkeinrichtung lenkt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass durch die zusätzliche Umlenkeinrichtung eine weitere Möglichkeit der Einstellung der Strahlenführung geschaffen ist, so dass ein sehr präzises Bearbeitungsergebnis für alle behandelten Flächen gewährleistet werden kann, indem die Ebene der Strahlfläche auf einfache Weise gewechselt wird.
  • Besonders einfach kann die Erfindung dadurch verwirklicht werden, dass bei einer erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung als Umlenkeinrichtungen in an sich bekannter Weise Spiegel verwendet werden. Dabei ergibt sich ein einfacher Aufbau, wenn die Umlenkeinrichtungen jeweils unter einem Winkel von 45° zum einfallenden Laserstrahl stehen.
  • Eine hinsichtlich der Energieausnutzung und des apparativen Aufwands optimierte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einer erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung die Laserstrahlquelle eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung und einen ein- oder mehrachsigen Scanner umfasst, der den von der Laserstrahlerzeugungseinrichtung erzeugten Laserstrahl sequentiell den Belichtungseinrichtungen zuteilt. In diesem Fall wird der Laserstrahl zentral durch die Laserstrahlerzeugungseinrichtung erzeugt und in den so genannten Scanner geleitet. Der Scanner teilt dann den Laserstrahl nacheinander den einzelnen Belichtungseinheiten zu, so dass die verschiedenen Flächen des Werkstücks ebenfalls nacheinander bearbeitet werden, ohne dass das Werkstück seine Position relativ zu den Belichtungseinrichtungen ändern muss.
  • Stehen in der Praxis nur Laser mit begrenzter Leistungsfähigkeit zur Verfügung oder sind sehr kurze Gesamtbearbeitungszeiten gefordert, lässt sich die erfindungsgemäße Bearbeitung von mindestens zwei Flächen dadurch erreichen, dass die zu bearbeitenden Flächen in Gruppen zusammengefasst werden und jeder Gruppe von zu behandelnden Flächen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zugeordnet wird.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer zwei Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
  • 1 eine erste Vorrichtung zum Behandeln der Laufflächen der Zylinderräume eines Motorblocks für einen Vierzylinder-Reihen-Motor in seitlicher Ansicht;
  • 2 eine zweite Vorrichtung zum Behandeln der Laufflächen der Zylinderräume eines Motorblocks für einen Vierzylinder-Reihen-Motor in seitlicher Ansicht;
  • 3 die Vorrichtung gemäß 2 in einer Ansicht von oben.
  • Die in den 1 bzw. 2 und 3 gezeigten Vorrichtungen 1 und 101, 101' dienen zum Behandeln der Laufbahnen der vier Zylinderräume Z1-Z4 des Motorblocks M, der in einer nicht dargestellten Halterung so eingespannt ist, dass seine für die Montage eines nicht dargestellten Zylinderkopfs bestimmte Kopfseite K horizontal ausgerichtet ist. Die Zylinderräume Z1-Z4 des Motorblocks M sind in Reihe angeordnet, so dass die in einer Linie liegenden Mittelpunkte ihrer Öffnungen und damit einhergehend ihre Längsachsen L bei der in den Figuren dargestellten Ausrichtung des Motorblocks M in einer gemeinsamen Vertikalebene V angeordnet sind.
  • Bei der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 ist jedem der Zylinderräume Z1-Z4 jeweils eine in an sich bekannter Weise ausgebildete Belichtungseinrichtung 2, 3, 4, 5 zugeordnet. Die Belichtungseinrichtungen 2, 3, 4, 5 weisen jeweils ein zylindrisches Gehäuse auf, dessen Durchmesser um ein Untermaß geringer ist als der Durchmesser des jeweiligen Zylinderraums Z1-Z4. In dem Gehäuse ist jeweils eine Umlenkoptik 6 angeordnet, die den jeweils koaxial zur Längsachse L des jeweiligen Zylinderraums Z1-Z4 einfallenden Laserstrahl X um 45° auf die zu behandelnde Lauffläche 7 des jeweiligen Zylinderraums Z1-Z4 umlenkt.
  • Jede Belichtungseinrichtung 25 umfasst jeweils einen hier nicht dargestellten Drehantrieb, der die jeweilige Belichtungseinrichtung 25 um eine mit der Längsachse L des jeweiligen Zylinderraums zusammenfallende Drehachse dreht. Eine ebenfalls nicht gezeigte Steuerung stellt dabei sicher, dass die Drehung der Belichtungseinrichtungen 25 synchron abläuft.
  • Zusätzlich ist jeder Belichtungseinrichtung 25 eine ebenfalls nicht dargestellte Stelleinrichtung zugeordnet, die die jeweilige Belichtungseinrichtung 25 ausgehend von der Öffnung des jeweiligen Zylinderraums Z1-Z4 entsprechend dem Behandlungsfortschritt kontinuierlich absenkt und nach Fertigstellung der Behandlung aus dem Zylinderraum Z1-Z4 hinaus fährt. Die Stellbewegungen der Stelleinrichtungen erfolgen dabei ebenfalls synchron.
  • Auf diese Weise erzeugt der Laserstrahl X auf der jeweils bearbeiteten Lauffläche 7 der Zylinderräume Z-Z4 eine wendelförmige Spur, die so geführt ist, dass jede der Laufflächen 7 am Ende der Behandlung flächendeckend vom Laserstrahl X erfasst worden ist. Ebenso ist es denkbar, den Laserstrahl X so zu führen, dass nur ein auf der behandelten Lauffläche wendelförmig mit größerer Steigung umlaufender Streifen vom Laserstrahl X belichtet wird.
  • Der Laserstrahl X wird von einer Laserstrahlquelle 8 geliefert, die eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung 9 und einen von der Laserstrahlerzeugungseinrichtung 9 gespeisten Scanner 10 umfasst. Der Scanner 10 verteilt den von der Laserstrahlerzeugungseinrichtung 9 erzeugten Laserstrahl X auf seine vier in einer Linie angeordneten Austritte 11, 12, 13, 14, die in der Vertikalebene V fluchtend zu den Mittelpunkten der Öffnungen der Zylinderräume Z1-Z4 positioniert sind. Die Austritte 1114 sind dabei so angeordnet, dass der aus ihnen jeweils austretende Laserstrahl X im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist.
  • Oberhalb der in regelmäßigen Abständen A angeordneten Austritte 1114 des Scanners 10 ist eine in Form eines um 45° in Richtung des Motorblocks M gegenüber der Vertikalen geneigt angeordneten Spiegels ausgebildete erste Umlenkeinrichtung 15 angeordnet. Die Position der Umlenkeinrichtung 15 ist so gewählt, dass jeder der auf die Umlenkeinrichtung 15 treffenden Laserstrahlen X oberhalb der Kopfseite K des Motorblocks M verläuft. Selbstverständlich ist es möglich, an Stelle eines großen Spiegels, an dem die aus den Austritten 1114 austretenden Laserstrahlen gemeinsam umgelenkt werden, jedem dieser Laserstrahlen einen eigenen Umlenkspiegel zuzuordnen.
  • Die Umlenkeinrichtung 15 lenkt für alle Belichtungseinrichtungen 25 gemeinsam den auf sie jeweils treffenden Laserstrahl X zu vier weiteren Umlenkeinrichtungen 16, 17, 18, 19, von denen jeweils einer der Belichtungseinrichtungen 25 zugeordnet ist. Die Umlenkeinrichtungen 1619 sind ebenfalls als Spiegel ausgebildet, die um 45° gegenüber der Vertikalen in Richtung der ersten Umlenkeinrichtung 15 schräg gestellt sind.
  • Die Umlenkeinrichtungen 1619 sind in horizontaler Richtung so positioniert, dass der Mittelpunkt ihrer Spiegelfläche mit der Drehachse derjenigen der Belichtungseinrichtung 25 zusammenfällt, der die jeweilige Umlenkeinrichtung 1619 zugeordnet ist.
  • In vertikaler Richtung sind die Umlenkeinrichtungen dagegen mit dem Abstand A angeordnet, in dem die Austritte 1114 des Scanners 10 positioniert sind. Dabei nimmt die Umlenkeinrichtung 16, die der zum Scanner nächst benachbart angeordneten Belichtungseinrichtung 2 zugeordnet ist, die höchste Position ein und ist so angeordnet, dass der aus dem zum Motorblock M nächst benachbarten Austritt 14 des Scanners 10 austretende und an der Umlenkeinrichtung 15 umgelenkte Laserstrahl X ihn im Bereich seines Mittelpunktes trifft und von dort in koaxialer Ausrichtung zur Längsachse L des Zylinderraums Z1 in die Belichtungseinrichtung 2 reflektiert wird. Die der Belichtungseinrichtung 3 zugeordnete Umlenkeinrichtung 17 ist um den Abstand A gegenüber der Umlenkeinrichtung 16 tiefer angeordnet, so dass sie im Mittelpunkt ihrer Spiegelfläche durch den aus dem Austritt 13 des Scanners 10 austretenden und an der Umlenkeinrichtung 15 umgelenkten Laserstrahl X getroffen wird. Genauso ist die Umlenkeinrichtung 18 um den Abstand A tiefer als die Umlenkeinrichtung 17 positioniert, so dass im Bereich des Mittelpunkts ihrer Spiegelfläche der aus dem Austritt 12 des Scanners 10 austretende und an der Umlenkeinrichtung 15 umgelenkte Laserstrahl X zu der Belichtungseinrichtung 4 gelenkt wird. Schließlich ist die der Belichtungseinrichtung 5 zugeordnete Umlenkeinrichtung 19 noch einmal um den Abstand A tiefer als die Umlenkeinrichtung 18 positioniert, so dass im Bereich des Mittelpunkts ihrer Spiegelfläche der aus dem Austritt 11 des Scanners 10 austretende und an der Umlenkeinrichtung 15 umgelenkte Laserstrahl X in die Belichtungseinrichtung 5 reflektiert wird.
  • Die vom Laserstrahl X von den Austritten 1114 des Scanners 10 über die Umlenkeinrichtungen 15 und 16 zur Belichtungseinrichtung 2, über die Umlenkeinrichtungen 15 und 17 zur Belichtungseinrichtung 3, über die Umlenkeinrichtungen 15 und 18 zur Belichtungseinrichtung 4 und über die Umlenkeinrichtungen 15 und 19 zur Belichtungseinrichtung 5 zurückgelegten Wege sind auf diese Weise gleich lang.
  • Bei der Bearbeitung der Laufflächen 7 der Zylinderräume Z1-Z4 rotieren die Belichtungseinrichtungen 25 und werden gleichzeitig in einem kontinuierlichen Bewegungsablauf in den jeweiligen Zylinderraum Z1-Z4 abgesenkt. Der Scanner 10 schaltet dabei nacheinander den von der Laserstrahlerzeugungseinrichtung 9 gelieferten Laserstrahl X auf einen seiner Austritte 1114, so dass jede der Belichtungseinrichtungen 25 aufeinander folgend mit dem Laserstrahl X beschickt werden.
  • Beim in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel werden zum Behandeln der Laufflächen 7 der in Reihe angeordneten Zylinderräume Z1-Z4 des wie beim in 1 dargestellten Beispiel eingespannten und ausgerichteten Motorblocks M zwei identisch aufgebaute Vorrichtungen 101, 101' eingesetzt. Jede der Vorrichtungen 101, 101' weist zwei Belichtungseinheiten 102, 103, 102', 103' auf, wobei die Belichtungseinrichtungen 102, 103 der Vorrichtung 101 den Zylinderräumen Z1, Z2 und die Belichtungseinrichtungen 102', 103' der Vorrichtung 101' den Zylinderräumen Z4 bzw. Z3 des Motorblocks M zugeordnet sind.
  • Die Belichtungseinrichtungen 102, 103, 102', 103' sind genauso aufgebaut wie die Belichtungseinrichtungen 25 der Vorrichtung 1 und weisen jeweils eine Umlenkoptik 106 auf, die den in die jeweilige Belichtungseinrichtung 102, 103, 102', 103' eintretenden jeweiligen Laserstrahl X, X' gegen die zu behandelnde Lauffläche 7 richtet.
  • Ebenso entsprechend den Belichtungseinrichtungen 25 umfassen die Belichtungseinrichtungen 102, 103, 102', 103' der Vorrichtungen 101, 101' nicht dargestellte Drehantriebe, die die Gehäuse der Belichtungseinrichtungen 102, 103, 102', 103' mit der darin angeordneten Umlenkoptik 106 um die Längsachse L des jeweiligen Zylinderraums Z1-Z4 drehen. Gleichzeitig ist jeder der Belichtungseinrichtungen 102, 103, 102', 103' wie bei den Belichtungseinrichtungen 25 eine hier nicht sichtbare Stelleinrichtung zugeordnet, die die Belichtungseinrichtungen 102, 103, 102', 103' während der Behandlung der Laufflächen längs der Längsachse L verstellt.
  • Jede der Vorrichtungen 101, 101' umfasst des Weiteren eine Laserstrahlquelle 108, 108', die jeweils eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung 109, 109' und einen von der Laserstrahlerzeugungseinrichtung 109, 109' gespeisten Scanner 110, 110' umfasst.
  • Die Scanner 110, 110' verteilen den von der jeweiligen Laserstrahlerzeugungseinrichtung 109, 109' gelieferten Laserstrahl X, X' entsprechend der Funktion des Scanners 10 der Vorrichtung 1 auf jeweils zwei Austritte 111, 112, 111', 112'. Der jeweils erste Austritt 111, 111' ist dabei in der Vertikalebene V angeordnet, in der die Mittelpunkte der Öffnungen der Zylinderräume Z1-Z4 und dementsprechend ihre Längsachsen L liegen. Der jeweils zweite Austritt 112, 112' der Scanner 110, 110' ist demgegenüber um einen quer zur Vertikalebene V gemessenen Abstand B1 und einen in Längsrichtung LR des Motorblocks M gemessenen Abstand B2 gegenüber dem jeweiligen Austritt 111, 111' versetzt angeordnet, wobei der jeweilige Austritt 112, 112' in Längsrichtung LR betrachtet jeweils näher zum Motorblock M angeordnet ist als der jeweilige Austritt 112, 112'.
  • Die Austritte 111, 112, 111', 112' sind so eingerichtet, dass der Laserstrahl X, X' jeweils in vertikaler Ausrichtung nach oben gegen eine erste Umlenkeinrichtung 115, 115' gerichtet ist. Die ersten Umlenkeinrichtungen 115, 115' sind jeweils als Spiegel ausgebildet, die quer zur Längsrichtung LR ausgerichtet in vertikaler Richtung gesehen jeweils oberhalb der Kopfseite K des Motorblocks M angeordnet und um 45° gegen den Motorblock geneigt sind. Die Größe der Umlenkeinrichtungen 115, 115' ist dabei so gewählt, dass sie von dem jeweils aus den Austritten 111, 112, 111', 112' austretenden Laserstrahl X, X' sicher getroffen und in horizontale Richtung abgelenkt werden.
  • Der aus dem jeweiligen Austritt 111, 111' der Scanner 110, 110' austretende Laserstrahl X, X' wird von der jeweiligen ersten Umlenkeinrichtung 115, 115' zu einer zweiten Umlenkeinrichtung 117, 117' umgelenkt. Die der Vorrichtung 101 zugeordnete zweite Umlenkeinrichtung 117 ist dabei wie die Umlenkeinrichtungen 17 der Vorrichtung 1 oberhalb des Zylinderraums Z2 angeordnet, während die der zweiten Vorrichtung 101' zugeordnete zweite Umlenkeinrichtung 117' wie die Umlenkeinrichtung 18 der Vorrichtung 1 oberhalb des Zylinderraums Z3 positioniert ist. Dementsprechend lenkt die Umlenkeinrichtung 117 den auf sie treffenden Laserstrahl X in die im Zylinderraum Z2 angeordnete Belichtungseinrichtung 103, während der auf die Umlenkeinrichtung 117' treffende Laserstrahl X' zur im Zylinderraum Z3 positionierten Belichtungseinrichtung 103' gelenkt wird.
  • Der aus dem jeweiligen Austritt 112, 112' austretende Laserstrahl X, X' wird dagegen von der ersten Umlenkeinrichtung 115 zu jeweils einer zusätzlichen Umlenkeinrichtung 120, 120' umgelenkt. Die zusätzlichen Umlenkeinrichtungen 120, 120' sind als Spiegel ausgebildet, dessen Spiegelfläche anders orientiert ausgerichtet ist. Gleichzeitig sind die Umlenkeinrichtungen 120, 120' um 45° gegen den auf sie treffenden jeweiligen Laserstrahl X, X' in Richtung des Motorblocks M geneigt angeordnet. Auf diese Weise lenken die zusätzlichen Umlenkeinrichtungen 120, 120' den jeweils auf sie treffenden Laserstrahl X, X' zu jeweils einer weiteren Umlenkeinrichtung 116, 116', die, wie die Umlenkeinrichtungen 2 bzw. 5 der Vorrichtung 1 oberhalb der Zylinderräume Z1 bzw. Z4 angeordnet und ausgerichtet sind. Dementsprechend leitet die dem Zylinderraum Z1 zugeordnete weitere Umlenkeinrichtung 116 der Vorrichtung 101 den auf sie treffenden Laserstrahl X in die im Zylinderraum Z1 arbeitende Belichtungseinrichtung 102, während die weitere Umlenkeinrichtung 116' der Vorrichtung 101' den auf sie treffenden Laserstrahl X' zur im Zylinderraum Z4 ungeordneten Belichtungseinrichtung 102' lenkt.
  • Die Abstände B1, B2, um die bei den Scannern 110, 110' der Austritt 112, 112' gegenüber dem jeweils anderen Austritt 111, 111' versetzt ist, und dementsprechend die Position der jeweils zusätzlichen Umlenkeinrichtung 120, 120' sind dabei so gewählt, dass der von den Laserstrahlen X, X' vom jeweiligen Austritt 112, 112' über die jeweilige zusätzliche Umlenkeinrichtung 120, 120' bis zur jeweiligen Belichtungseinrichtung 102, 102' genauso lang ist wie der Weg, den die Laserstrahlen X, X' vom jeweiligen anderen Austritt 111, 111' der Scanner 110, 110' zur jeweiligen Belichtungseinrichtung 103, 103' zurücklegen.
  • Die Ausrichtung der zusätzlichen Umlenkeinrichtungen 120, 120' kann mittels nicht dargestellter Feststelleinrichtungen vor der Aufnahme des Behandlungsbetriebes eingestellt werden. Auf diese Weise erfolgt die Justage der Strahlenwege der Vorrichtungen 101, 101' vor der Inbetriebnahme derart, dass zunächst der vom jeweiligen Austritt 111, 111' über die jeweiligen Umlenkeinrichtungen 115, 117 bzw. 115', 117' zu der jeweiligen Belichtungseinrichtung 103, 103' führende Weg optimiert wird. Anschließend wird durch entsprechende Einrichtung der Umlenkeinrichtungen 120, 120' auch der vom jeweiligen Austritt 112, 112' über die erste Umlenkeinrichtung 115, die jeweils zusätzliche Umlenkeinrichtung 120, 120' und die jeweilige weitere Umlenkeinrichtung 116, 116' zur jeweiligen Belichtungseinrichtung 102, 102' führende Strahlenweg so angepasst, dass ein für alle bearbeiteten Zylinderräume Z1-Z4 gleichmäßig gutes Behandlungsergebnis erreicht wird.
  • Die Behandlung der Laufflächen 7 der Zylinderräume Z1-Z4 selbst erfolgt dann mit den Vorrichtungen 101, 101' wie für die Vorrichtungen 1 bereits beschrieben.
  • 1
  • 1
    Vorrichtung zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderräume Z1-Z4 des Motorblocks M
    2, 3, 4, 5
    Belichtungseinrichtungen
    6
    Umlenkoptik
    7
    Lauffläche des jeweiligen Zylinderraums Z1-Z4
    8
    Laserstrahlquelle
    9
    Laserstrahlerzeugungseinrichtung
    10
    Scanner
    11–14
    Austritte des Scanners 10 für den Laserstrahl X
    15
    erste Umlenkeinrichtung
    16–19
    weitere Umlenkeinrichtungen
    A
    Abstände der Austritte 1114
    K
    Kopfseite des Motorblocks M
    L
    Längsachse des jeweiligen Zylinderraums Z1-Z4
    M
    Motorblock
    X
    Laserstrahl
    Z1-Z4
    Zylinderräume des Motorblocks M
  • 2, 3
  • 7
    Lauffläche des jeweiligen Zylinderraums Z1-Z4
    101, 101'
    Vorrichtungen zum Behandeln der Laufbahnen der Zylinderräume Z1-Z4 des Motorblocks M
    102, 103
    Belichtungseinheiten der Vorrichtung 110
    102', 103'
    Belichtungseinheiten der Vorrichtung 110'
    106
    jeweilige Umlenkoptik der Belichtungseinrichtungen 102, 103, 102', 103'
    108, 108'
    Laserstrahlquelle
    109, 109'
    Laserstrahlerzeugungseinrichtung
    110, 110'
    Scanner
    111, 112
    Austritte des Scanners 110
    111', 112'
    Austritte des Scanners 110'
    115, 115'
    erste Umlenkeinrichtungen
    116, 116'
    zweite Umlenkeinrichtungen
    117, 117'
    weitere Umlenkeinrichtungen
    120, 120'
    zusätzliche Umlenkeinrichtungen
    B1, B2
    Abstände
    K
    Kopfseite des Motorblocks M
    L
    Längsachse des jeweiligen Zylinderraums Z1-Z4
    LR
    Längsrichtung des Motorblocks M
    M
    Motorblock
    V
    Vertikalebene
    X, X'
    Laserstrahlen
    Z1-Z4
    Zylinderräume des Motorblocks M

Claims (8)

  1. Verwendung einer Vorrichtung zur Behandlung von Laufbahnen (7) von Zylinderräumen (Z1-Z4) von Motorblöcken (M) für Verbrennungsmotoren, wobei die Vorrichtung umfasst: – mindestens eine Laserstrahlquelle (8, 108, 108'), und – mindestens zwei Belichtungseinrichtungen (25, 102, 103, 102', 103'), von denen jeweils eine einer der zu behandelnden Flächen (7) zugeordnet ist und die den in sie geleiteten Laserstrahl (X, X') auf die zu bearbeitende Fläche (7) lenken, – wobei eine erste im Betrieb fest angeordnete Umlenkeinrichtung (15, 115, 115') vorgesehen ist, auf die der der jeweiligen Belichtungseinrichtung (25, 102, 103, 102', 103') zugeordnete Laserstrahl (X, X') nach seinem Austritt aus der Laserstrahlquelle (8, 108, 108') trifft, – wobei die erste Umlenkeinrichtung (15, 115, 115') den Laserstrahl (X, X') jeweils zu einer weiteren im Betrieb ebenfalls fest angeordneten Umlenkeinrichtung (1619, 116, 117, 116', 117') umlenkt, welche den Laserstrahl (X, X') in diejenige Belichtungseinrichtung (25, 102, 103, 102', 103') leitet, der der Laserstrahl (X, X') jeweils zugeordnet ist, und – wobei die erste und die weiteren Umlenkeinrichtungen (1619, 116, 117, 116', 117') derart angeordnet sind, dass die Länge des vom Laserstrahl (X, X') von seinem Austritt aus der Laserstrahlquelle (8, 108, 108') bis zu seinem Eintreten in die jeweilige Belichtungseinrichtung (25, 102, 103, 102', 103') zurückgelegten Wegs für alle Belichtungseinrichtungen (25, 102, 103, 102', 103') im Wesentlichen gleich ist.
  2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunkte der Auftreffbereiche, in denen die den Belichtungseinrichtungen (25, 102, 103, 102', 103') zugeordneten Laserstrahlen (X, X') die jeweilige erste Umlenkeinrichtung (15, 115, 115') treffen, auf einer Geraden angeordnet sind, die in derselben Ebene (V) liegt wie die Drehachsen der Belichtungseinrichtungen (25, 102, 103, 102', 103').
  3. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Belichtungseinrichtungen (103, 103') neben der jeweiligen ersten Umlenkeinrichtung (115, 115'), auf die der aus der Laserstrahlquelle (168, 108') austretende Laserstrahl (X, X') trifft, und der weiteren Umlenkeinrichtung (116, 116'), die den Laserstrahl in die Belichtungseinrichtung (103, 103') leitet, mindestens eine zusätzliche, zwischen die erste (115, 115') und die weitere Umlenkeinrichtung (116, 116') geschaltete Umlenkeinrichtung (120, 120') zugeordnet ist, auf die der von der ersten Umlenkeinrichtung (115, 115') abgelenkte Laserstrahl (X, X') trifft und die den Laserstrahl (X, X') zu der weiteren Umlenkeinrichtung (116, 116') lenkt.
  4. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtungen (1519, 115117, 115'117') Spiegel sind.
  5. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtungen (1519, 115117, 115'117') jeweils unter einem Winkel von 45° zum einfallenden Laserstrahl (X, X') stehen.
  6. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (8, 108, 108') eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung (9, 109, 109') und einen Scanner (10, 110, 110') umfassen, der den von der Laserstrahlerzeugungseinrichtung (9, 109, 109') erzeugten Laserstrahl (X, X') sequentiell den Belichtungseinrichtungen (25, 102, 103, 102', 103') zuteilt.
  7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner (10, 110, 110') mehrachsig ausgebildet ist.
  8. Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtungseinrichtungen (25, 102, 103, 102', 103') während des Betriebs drehbar angetrieben sind.
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