DE102007017977B4

DE102007017977B4 - Verfahren zur Feinbearbeitung zylindrischer Innenflächen von Bohrungen in einem Werkstück sowie Werkstück

Info

Publication number: DE102007017977B4
Application number: DE102007017977A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Current assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: DE102007017977A1

Abstract

Verfahren zur Feinbearbeitung zylindrischer Innenflächen von Bohrungen in einem Werkstück, insbesondere zur Feinbearbeitung von Zylinderlaufflächen eines Motorblocks, mit: einer Vorhonstufe zur Erzeugung einer vorgehonten Bohrung; einer der Vorhonstufe nachgeschalteten Zwischenhonstufe zur Erzeugung einer zwischengehonten Bohrung; einender Zwischenhonstufe nachgeschalteten Plateauhonstufe zur Erzeugung einer plateaugehonten Bohrung; wobei in der Zwischenhonstufe ein Honwerkzeug mit einer in Axialrichtung der Bohrung verlaufenden Axialgeschwindigkeits-Komponente und einer in Umfangsrichtung der Bohrung verlaufenden Umfangsrichtungs-Komponente bewegt und dabei ein Verhältnis zwischen Axialgeschwindigkeits-Komponente und Umfangsgeschwindigkeits-Komponente zwischen 2:1 und 10:1 eingestellt wird, und wobei Bearbeitungsparameter der Plateauhonstufe an die Oberflächenstruktur der zwischengehonten Bohrung derart angepasst sind, dass die plateaugehonte Innenfläche nach der Plateauhonstufe eine Kernrauhtiefe Rk < 0.4 μm aufweist, wobei das Honwerkzeug bei der Plateuhonstufe so bewegt wird, dass ein Verhältnis zwischen der Axialgeschwindigkeits-Komponente und der Umfangsgeschwindigkeits-Komponente zwischen 2:1 und 10:1 liegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Feinbearbeitung zylindrischer Innenflächen von Bohrungen in einem Werkstück sowie auf ein Werkstück mit mindestens einer Bohrung mit zylindrischer Innenfläche. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Feinbearbeitung von im Wesentlichen zylindrischen Gleitlagerflächen in Bauteilen für den Motorenbau, insbesondere die Bearbeitung von Zylinderlaufflächen eines Motorblocks.
Das klassische Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem vielschneidige Honwerkzeuge eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführen, die zu einer charakteristischen Oberflächenstruktur der bearbeiteten Innenfläche mit überkreuzten Bearbeitungsspuren führt. Durch Honen sind endbearbeitete Oberflächen herstellbar, die extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen sowie hinsichtlich der Oberflächenstruktur genügen. Dementsprechend werden beispielsweise beim Motorenbau Zylinderlaufflächen, d. h. Innenflächen von Zylinderbohrungen in einem Motorblock oder in einer in einen Motorblock einzubauenden Zylinderhülse, Lagerflächen für Wellen und die zylindrischen Innenflächen in Pleuelaugen einer Honbearbeitung unterzogen.
Die Bearbeitungsspuren des Honens werden häufig als „Honspuren” bezeichnet. Je nach Verhältnis der Axialgeschwindigkeits-Komponente und der Umfangsgeschwindigkeits-Komponente der Bewegung des Honwerkzeuges schließen die Honspuren unterschiedliche Winkel zur Axialrichtung der Bohrung bzw. unterschiedliche Winkel zueinander an. Der von den Honspuren eingeschlossene Kreuzungswinkel der Honspuren wird auch als „Honwinkel” bezeichnet. Je größer die Geschwindigkeit in Axialrichtung relativ zur Geschwindigkeit in Umfangsrichtung wird, desto größer wird der Honwinkel und desto kleiner wird der Winkel zur Axialrichtung.
Neue Honverfahren werden häufig im Hinblick auf die Verbesserung der Umweltfreundlichkeit von Verbrennungsmotoren entwickelt. Das deutsche Patent DE 196 07 774 B4 beschreibt ein Honverfahren, bei dem während einer Bearbeitungsstufe eine Honbearbeitung mit hoher Axialgeschwindigkeits-Komponente der Bearbeitungsbewegung des Honwerkzeuges im Vergleich zur Umfangsgeschwindigkeits-Komponente durchgeführt wird. Dabei wird ein Verhältnis der Axialgeschwindigkeits-Komponente zur Umfangsgeschwindigkeits-Komponente zwischen 2:1 und 10:1 eingestellt. Dieses auch als „Spiralgleithonen” bezeichnete Verfahren führt zu Honspuren, die von der Axialrichtung der bearbeiteten Bohrung um ca. 5° bis 30° abweichen, so dass typische Honwinkel im Bereich zwischen ca. 120° und ca. 170° liegen können. Wie beispielsweise aus dem Artikel „Neues Honverfahren für umweltfreundliche Verbrennungsmotoren” von G. Haasis und U.-P. Weigmann in: WB Werkstatt und Betrieb, Jahrgang 132 (199) 3, Seiten 29 bis 35 hervorgeht, ist es mit diesem Verfahren möglich, Verbrennungsmotoren zu schaffen, die gegenüber konventionellen Verbrennungsmotoren einen geringeren Ölverbrauch haben.
Für die Oberflächenbearbeitung von Zylinderlaufflächen werden nicht nur mechanisch oberflächenstrukturierend wirkende Honverfahren eingesetzt, sondern auch andere die Oberflächenbeschaffenheit der Innenfläche optimierende Bearbeitungsverfahren. Aus dem deutschen Patent DE 39 22 377 C2 ist ein Verfahren zum Behandeln von mechanisch oder elektrochemisch gehonten Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen aus Metall mittels einer Laserstrahlung bekannt, deren Energiedichte zur Bildung eines Plasmas über der behandelten Zylinderlauffläche ausreicht. Mit dieser relativ großflächigen „Laserbelichtung” kann beispielsweise bei einem Bauteil aus Gusseisen mit Graphiteinschlüssen erreicht werden, dass die nach der mechanischen Bearbeitung gegebenenfalls durch Materialüberlappungen zugeschmierten Graphitnester im Oberflächenbereich freigelegt werden, so dass eine tribologisch besonders günstige Lauffläche geschaffen wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein zum Bearbeiten von Zylinderlaufflächen eines Motorblockes geeignetes Verfahren zur Feinbearbeitung zylindrischer Innenflächen von Bohrungen bereitzustellen, welches es erlaubt, Verbrennungsmotoren mit weiter reduziertem Ölverbrauch zu schaffen, wobei insbesondere die Langzeitstabilität des Ölverbrauches verbessert werden soll. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, entsprechend bearbeitete Werkstücke bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Werkstück mit den Merkmalen von Anspruch 21. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei dem Verfahren wird zunächst eine beispielsweise durch Feinbohren oder Schrupphonen vorbearbeitete Bohrung vorgehont, um bei relativ hoher Zerspanleistung die gewünschte Makroform der Bohrung weitgehend festzulegen und den aus den vorhergehenden Bearbeitungsschritten resultierenden Formfehler sowie die Durchmesserstreuung zu verringern. Es folgt eine dem Vorhonen nachgeschaltete Zwischenhonstufe zur Erzeugung einer zwischengehonten Bohrung. Die Zwischenhonung wird mit Schneidkörpern feinerer Körnung und entsprechend geringerem Materialabtrag im Vergleich zum Vorhonen durchgeführt, um mit insgesamt relativ geringem Materialabtrag eine zwischengehonte Bohrung mit einem gewünschten Oberflächenprofil zu erzeugen, welches Profilspitzen und Profiltäler aufweist. Durch eine dem Zwischenhonen nachgeschaltete Plateauhonstufe wird dann aus der zwischengehonten Bohrung eine plateaugehonte Bohrung erzeugt.
In der Zwischenhonstufe wird ein Honwerkzeug mit einer in Axialrichtung der Bohrung verlaufenden Axialgeschwindigkeits-Komponente und einer in Umfangsrichtung der Bohrung verlaufenden Umfangsrichtungs-Komponente bewegt und dabei ein Verhältnis zwischen Axialgeschwindigkeits-Komponente und Umfangsgeschwindigkeits-Komponente zwischen 2:1 und 10:1 eingestellt, so dass sich die für das „Spiralgleithonen” typischen Honspuren ergeben, die relativ große Honwinkel von beispielsweise mehr als 120° und weniger als 170° einschließen. Die Bearbeitungsparameter der Plateauhonstufe sind an die Oberflächenstruktur der Zwischenstufe derart angepasst, dass die bearbeitete Innenfläche nach der Plateauhonstufe eine Kernrauhtiefe R_k < 0.4 μm aufweist.
Bei der Plateauhonstufe wird das Honwerkzeug so bewegt, dass ein Verhältnis zwischen der Axialgeschwindigkeits-Komponente und der Umfangsgeschwindigkeits-Komponente zwischen 2:1 und 10:1 liegt. Hierdurch entstehen Honspuren (Plateauhonspuren), die aufgrund der geringeren Körnung der verwendeten Schneidkörner deutlich weniger tief sind als die aus der Zwischenhonstufe resultierenden Honspuren. Die Honspuren geringerer Tiefe können im Wesentlichen parallel zu den Honspuren der größeren Tiefe verlaufen oder einen kleinen Winkel einschließen, beispielsweise Winkel zwischen 1° und 10°. Die Winkel zur Axialrichtung können insbesondere im Bereich zwischen 5° und 30° liegen, was Honwinkeln im Bereich zwischen 120° und 170° entspricht. Die hierdurch mögliche Vermeidung von Honspuren, die quer zur Axialrichtung verlaufen, hat sich als vorteilhaft für die Langzeitstabilität der Oberflächenstruktur herausgestellt.
Wie sich beispielsweise aus DIN EN 150 13565-1 und -2 ergibt, gibt die Kernrauhtiefe R_k die Tiefe des Rauheitskernprofils an. Es hat sich gezeigt, dass die durch die Erfindung möglichen, extrem geringen Kernrauhtiefen sich vorteilhaft auf den Verschleiß und Ölverbrauch und somit insbesondere die Langzeitstabilität des Ölverbrauches auswirken.
Vorzugsweise liegt die Kernrauhtiefe bei noch geringeren Werten, beispielsweise bei R_k < 0.35 μm und/oder R_k < 0.3 μm. In der Regel wird eine geringe Restrauhigkeit von mindestens R_k = 0.1 μm verbleiben.
Vorzugsweise werden auch bestimmte Werte für die reduzierte Riefentiefe R_vk erzeugt, die bekanntlich die gemittelte Tiefe der aus dem Kernbereich herausragenden Riefen ist (vgl. DIN EN ISO 13565-1 und -2). Insbesondere können die Bearbeitungsparameter der Zwischenhonstufe und der Plateauhonstufe derart aufeinander abgestimmt sein, dass die Innenfläche nach der Plateauhonstufe eine reduzierte Riefentiefe 1.6 μm aufweist. Dieser Wert liegt tendenziell niedriger als bei vergleichbaren konventionellen Verfahren. Insbesondere kann eine reduzierte Riefentiefe 1 μm < R_vk < 1.5 μm und/oder 0,8 μm < R_vk < 1.4 erzeugt werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Bearbeitungsparameter der Zwischenhonstufe und der Plateauhonstufe derart aufeinander abgestimmt, dass die Innenfläche nach der Plateauhonstufe ein Rauheitsverhältnis R_k/R_vk < 0.3 zwischen der Kernrauhtiefe R_k und der reduzierten Riefentiefe R_vk aufweist. Günstig sind somit plateaugehonte Oberflächen, deren Kernrauhtiefe zwar sehr klein ist, die aber dennoch eine relativ dazu große reduzierte Riefentiefe R_vk haben. Das Rauheitsverhältnis R_k/R_vk kann bei mehr als 0,12 liegen. Häufig ist es günstig, wenn das Rauheitsverhältnis im Bereich zwischen 0,15 und 0,35, vorzugsweise zwischen 0,15 und 0,25 liegt.
Bei derartigen Oberflächenstrukturen kann die sehr geringe Kernrauhtiefe dafür sorgen, dass die während des Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgende „Bearbeitung” der Oberfläche durch die Kolbenringe nur zu einem relativ geringen Materialabtrag führen kann. Gleichzeitig sorgen die zwischen den relativ glatten Plateaus liegenden, relativ tiefen Riefen für die gewünschte Ölhaltefunktion der bearbeiteten Oberfläche.
Bei bevorzugten Verfahrensvarianten besteht das Werkstück aus Graugussmaterial mit Graphiteinschlüssen, insbesondere aus GJS (sphärolitischer Grauguss), GJV ((Vermikulargraphitguss) oder GJL (lamellarer Grauguss).
Bei der Bearbeitung von Graugussmaterialien mit z. B. lamellaren oder sphärischen Graphiteinschlüssen (GJS oder GJL) kann es bei der mechanischen Bearbeitung zu sogenannten „Verschuppungen” der Oberfläche kommen, wobei ein Teil oder alle der an die Oberfläche heranreichenden Graphitnester oberflächlich verschmiert und damit geschlossen werden. Dieser sogenannte „Blechmantel” kann nachteilig für die tribologischen Eigenschaften des bearbeiteten Werkstücke sein. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante wird dieses Problem dadurch erheblich reduziert, dass ein ölhaltiger Kühlschmierstoff verwendet wird, der einen Anteil von mindestens 8 Gew.-% Öl in Wasser aufweist. Durch den im Vergleich zu konventionellen Kühlschmierstoffen sehr hohen Ölanteil kann die Reibung zwischen Bearbeitungswerkzeug und Oberfläche während der Bearbeitung reduziert werden, was auch die Verschuppung reduziert. Der Effekt wird tendenziell besser, je größer der Anteil von Öl im Kühlschmierstoff ist. Eine Emulsion mit einem Anteil zwischen 15 Gew.-% und 30 Gew.-% Öl (inklusive anderer Additive) in Wasser kann in vielen Fällen vorteilhaft sein. Manchmal ist ein Ölanteil (ggf. inklusive Additive) von mehr als 90 Gew.-% günstig. Bei manchen Verfahrensvarianten kann auch im Wesentlichen reines Honöl verwendet (werden, so dass solche Kühlschmierstoffe im Wesentlichen wasserfrei sind. Als Öl können geeignete Mineralöle oder synthetische Öle, aber auch pflanzliche Öle eingesetzt werden.
Die Plateauhonstufe kann die letzte Bearbeitungsstufe des Feinbearbeitungsprozesses sein, so dass die im fertigen Werkstück vorliegende Innenfläche der plateaugehonten Oberfläche entspricht.
Es hat sich herausgestellt, dass die in der beschriebenen Weise feinbearbeiteten Oberflächen auch in Kombination mit einer nachfolgenden Strahlbehandlung der plateaugehonten Oberfläche weitere Vorteile bringen. Bei einer Verfahrensvariante wird nach der Plateauhonstufe eine Strahlbehandlung der plateaugehonten Innenfläche durchgeführt. Diese Strahlbehandlung kann der Modifikation der Oberfläche bzw. der Konditionierung der Oberfläche dienen, um im Hinblick auf gewisse Anforderungen die Eigenschaften der Oberfläche weiter zu verbessern. Dabei kann die Strahlbehandlung beispielsweise dazu benutzt werden, noch verbleibende Verschuppungen mindestens teilweise zu beseitigen, damit eingeschlossene Graphitnester zu öffnen und die Oberfläche durch Härtung bzw. Reaktion mit Luft oder Prozessgasen zu konditionieren.
Bei bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Strahlbehandlung eine vorzugsweise großflächige Bestrahlung der plateaugehonten Innenfläche mittels Laserstrahlung. Hierdurch können je nach eingebrachter Energiedichte Modifikationen bzw. Konditionierungen der Oberfläche beispielsweise in einem oberflächennahen Bereich von weniger als 5 μm, insbesondere weniger als 1 μm Tiefe eingebracht werden. Die Konditionierung kann eine Verrundung oder Beseitigung von Verschuppungen beinhalten, ggf. kann die Oberfläche durch die Laserbestrahlung auch noch gehärtet werden. Die Strahlbehandlung mittels Laser kann beispielsweise im Wesentlichen so durchgeführt werden, wie es in der DE 39 22 377 C2 oder der DE 42 17 530 C2 beschrieben ist, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht wird.
Es ist möglich, die gesamte durch Plateauhonen bearbeitete Innenfläche einer nachfolgenden Strahlbehandlung zu unterziehen, indem diese beispielsweise mit Laserstrahlung geeigneter Intensität bzw. Energiedichte großflächig bestrahlt wird. Hierdurch können über die Oberfläche weitgehend gleichmäßige Oberflächeneigenschaften erzeugt werden. Dies ist jedoch nicht bei allen Anwendungsfällen gewünscht oder notwendig. Beispielsweise kann es gewünscht sein, unterschiedlichen axialen Teilabschnitten der Bohrung unterschiedliche tribologische Eigenschaften zu verleihen. Es kann auch so sein, dass die nachgeschaltete Strahlbehandlung nur für einen oder mehrere axiale Teilabschnitte der Bohrung substantielle Verbesserungen der Oberflächeneigenschaften bringt. Daher wird bei manchen Ausführungsformen die Strahlbehandlung nur in mindestens einem axialen Teilabschnitt der Bohrung durchgeführt, während mindestens ein anderer axialer Teilabschnitt keiner Strahlbehandlung unterzogen wird. Durch eine solche Konzentration der Strahlbehandlung auf nur einen Bruchteil der gesamten Innenfläche der Bohrung ist auch eine Zeit- und Kostenersparnis möglich. Manchmal ist es dabei möglich, einfach konstruierte Werkzeuge für die Strahlbehandlung zu nutzen.
Bei manchen Ausführungsformen betragt die axiale Länge des mindestens einen strahlbehandelten Teilabschnittes weniger als 50% oder weniger als 40% oder weniger als 30% der durch Plateauhonen bearbeiteten Innenfläche. In der Regel werden jedoch mindestens 5% oder mindestens 10% der Bohrungsinnefläche einer Strahlbehandlung unterzogen, wenn eine Strahlbehandlung der Bohrungsinnenfläche vorgesehen ist.
Bei manchen Ausführungsformen wird die Strahlbehandlung nur in mindestens einem axialen Endabschnitt der Bohrung durchgeführt, also in einem axialen Teilabschnitt, der unmittelbar an ein Ende der Bohrung anschließt oder einen im Vergleich zur axialen Länge des Endabschnitts relativ geringen Abstand zum Bohrungsende hat. Diese Verfahrensvariante kann z. B. bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen eines Motorblockes genutzt werden, um mittels Strahlbehandlung einen axialen Endabschnitt der Bohrung zu behandeln, der im Bereich des oberen Totpunktes eines in dem Zylinder laufenden Kolbens liegt. Es ist bekannt, dass der sogenannte „Zwickelbereich”, bei dem die am Kolben angebrachten Kolbenringe ihren den Brennraum nächsten Umkehrpunkt erreichen, tribologisch besonders stark beansprucht wird, da hier die Relativgeschwindigkeit zwischen der bearbeiteten Bohrungsinnenfläche und den durch die Kolbenringe gebildeten Gegenkörpern sehr gering wird und gleichzeitig durch die Verbrennung hohe Temperaturen und Drücke entstehen. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Endabschnitt im Bereich des unteren Totpunktes durch Strahlbehandlung bearbeitet werden.
Es ist möglich, die Strahlbehandlung so durchzuführen, dass über die gesamte strahlbehandelte Innenfläche eine im Wesentlichen gleichmäßige Eigenschaftsänderung erzielt wird. Bei vielen Anwendungsfällen hat es sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Strahlbehandlung innerhalb eines durch Strahlbehandlung behandelten Abschnittes der Bohrung mit einer in Axialrichtung variierenden Bestrahlungsintensität und/oder Bestrahlungsdauer und/oder Überdeckungszahl von Belichtungen derart durchgeführt wird, dass in dem durch Strahlbehandlung behandelten Abschnitt ein Gradient der durch Strahlbehandlung erzeugten Oberflächenmodifikationen entsteht. Hierbei kann es sich um eine Abstufung der Eigenschaftsänderungen in Axialrichtung handeln, häufig sind jedoch weitgehend kontinuierliche Gradienten der Eigenschaften günstig.
Insbesondere bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen kann es vorteilhaft sein, wenn die Strahlbehandlung in einem axialen Endabschnitt der Bohrung mit einer in Axialrichtung vom Bohrungsende zur Bohrungsmitte abnehmender Bestrahlungsintensität und/oder Bestrahlungsdauer und/oder Überdeckungszahl von Belichtungen derart durchgeführt wird, dass der dadurch erzeugte strahlungsbehandelte Endabschnitt im Wesentlichen ohne sprunghafte Änderung der Oberflächeneigenschaften in einen zur Bohrungsmitte anschließenden, nicht-strahlungsbehandelten Bereich übergeht. Die Vermeidung sprunghafter. Änderungen der Oberflächeneigenschaften wirkt sich durch Vermeidung einer „Stufe” besonders verschleißmindernd aus.
Bei einem Werkstück, dessen Bohrung nach dem Plateauhonen nur teilweise einer Strahlbehandlung unterzogen wurde, hat die Innenfläche der Bohrung in mindestens einem axialen Teilabschnitt eine durch Laserbelichtung modifizierte, oberflächennahe Schicht, die an eine nicht-modifizierte plateaugehonte Oberfläche anschließt. Der axiale Teilabschnitt kann insbesondere ein Endabschnitt der Bohrung sein. Wenn es sich bei der Bohrung um eine Zylinderlauffläche für einen Motorblock handelt, kann der Endabschnitt insbesondere so dimensioniert sein, dass erden Zwickelbereich umfasst, in dem die Kolbenringe eines in der Zylinderlauffläche laufenden Kolbens ihren oberen (brennraumnahen) Totpunkt erreichen. Innerhalb des durch Laserbelichtung strahlbehandelten Teilabschnittes kann ein kontinuierlicher oder stufenweise axialer Gradient der Oberflächenmodifikation vorliegen, wobei vorzugsweise das Ausmaß der Oberflächenmodifikationen in einem Übergangsbereich zwischen dem strahlbehandelten Teilabschnitt und einem anschließenden nicht-strahlbehandelten Teilabschnitt derart kontinuierlich abnimmt, dass in Axialrichtung kein Sprung der Oberflächeneigenschaften vor liegt.
Die vorstehenden und weiteren Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehraren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungsformen darstellen. Bevorzugte Ausführungsformen werden an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
1 zeigt in (a) und (b) zwei Mikroskopaufnahmen einer Zylinderlauffläche eines Grauguss-Motorblocks nach Abschluss der Plateaubearbeitung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung an zwei unterschiedlichen Stellen, sowie in (c) eine schematische Darstellung der Honspuren;
2 zeigt in (a) und (b) zwei Mikroskopaufnahmen einer Zylinderlauffläche eines Grauguss-Motorblocks nach Abschluss der Plateaubearbeitung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung an zwei unterschiedlichen Stellen, sowie neben (b) eine schematische Darstellung von Honspuren und freigelegten Graphitlamellen;
3 zeigt drei an unterschiedlichen Steffen der Oberfläche gemäß 1 aufgenommene Oberflächenprofile und die zugehörigen, nach dem Tastschnittverfahren ermittelten Oberflächen-Kenngrößen;
4 zeigt drei an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche gemäß 2 aufgenommene Oberflächenprofile und die zugehörigen, nach dem Tastschnittverfahren ermittelten Oberflächen-Kenngrößen;
5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem in 4 gezeigten Profil mit R_k = 0.18 μm und R_vk = 1.18 μm;
6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm von Feinbearbeitungsverfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
7 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Zylinderlauffläche eines Grauguss-Motorblockes nach einer nachgeschalteten Laserbestrahlung; und
8 zeigt eine schematische Abwicklung eines Teils einer Zylinderlauffläche in einem Motorblock, wobei ein axialer Endabschnitt der Bohrung nach dem Plateauhonen mittels Laserstrahlung zur Erzeugung einer Oberflächenmodifikation der plateaugehonten Oberfläche nachbehandelt wurde.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens werden im Folgenden anhand der Feinbearbeitung von Zylinderlaufflächen in Motorblöcken für Kraftfahrzeuge erläutert. Die Motorblöcke bestehen aus Graugussmaterial mit lamellarem Graphit (GJL bzw. GGL). Es kann sich beispielsweise um Motorblöcke für 4-Zylinder oder 6-Zylindermotoren für Personenkraftwagen handeln.
Die Bearbeitung erfolgt in mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstufen, die in 6 schematisch dargestellt sind.
Nachdem in den Motorblöcken die gewünschte Position und Winkellage der Bohrungen z. B. durch Schrupphonen oder Feinbohren im Wesentlichen festgelegt ist, wird in einer Vorhonstufe VH (vgl. 6) eine Vorhonoperation mit relativ grobkörnigen Schneidkörnern durchgeführt, um die gewünschte Makroform der Bohrung weitgehend festzulegen und den aus der Vorbearbeitung resultierenden Formfehler sowie die Durchmesserstreuung zu verringern. Das Vorhonen kann beispielsweise mit üblichen Honwerkzeugen mit Schneidmittelbelag von D100 bis D200 (mittlerer Korngrößen zwischen ca. 100 μm und ca. 200 μm) durchgeführt werden. In der Regel wird das Vorhonen so gesteuert, dass Rautiefen R_Z im Bereich R_Z = 10 bis 25 μm erzielt werden.
An das Vorhonen schließt sich eine Zwischenhonstufe ZH (6) an, um aus der vorgehonten Bohrung eine zwischengehonte Bohrung zu erzeugen. Die Zwischenhonstufe, die häufig auch als „Basishonen” bezeichnet wird, hat vor allem die Aufgabe, die aus der Vorhonbearbeitung resultierende Oberflächenrauhigkeit zu vermindern. Materialabträge bezogen auf den Durchmesser können z. B. im Bereich zwischen ca. 20 μm und ca. 40 μm liegen. Für die Zwischenhonung werden vorzugsweise Schneidkörper mit im Vergleich zum Vorhonen relativ feinen Schneidkörnern verwendet, wobei deren mittlere Durchmesser insbesondere im Bereich zwischen ca. 40 μm und ca. 70–90 μm liegen können (z. B. Diamantkörner D46 bis D64, ggf. auch D91). Typischerweise werden hier Rautiefen im Bereich 8 μm < R_Z < 12 bis 14 μm erzielt, manchmal liegt die Rautiefe R_Z im Bereich 10 μm ± 1 μm. Bei manchen Verfahrenvarianten kann bei Verwendung relativ feinkörniger Schneidmaterialien eine vergleichsweise geringe Rautiefe R_Z im Bereich zwischen ca. 6 μm und ca. 8 bis 10 μm vorteilhaft sein.
Das Honwerkzeug wird zur Durchführung des Zwischenhonens sowohl drehend, als auch axial hin- und hergehend angetrieben, wobei es über die zu honende Innenfläche der Bohrung um einen vorgegebenen Betrag, beispielsweise um ein Drittel seiner Länge überläuft. Die Axialgeschwindigkeits-Komponente der hin- und hergehenden Bewegung ist dabei deutlich größer als die Umfangsgeschwindigkeits-Komponente der Bearbeitungsbewegung. Das Verhältnis sollte generell zwischen 2:1 und 10:1 liegen, d. h. bei relativ langsamer Drehung des Honwerkzeuges wird mit hoher Axialgeschwindigkeits-Komponente gearbeitet. Die resultierende Schnittgeschwindigkeit (Relativgeschwindigkeit der Schneidkörner zur Oberfläche) sollte dabei im Bereich der für normale Honverfahren geltenden Werte liegen, beispielsweise zwischen ca. 15 und ca. 40 m/min. Bei dem anhand von 1 bis 4 erläuterten Verfahren wurde das Verhältnis der Geschwindigkeitskomponenten so eingestellt, dass sich Honwinkel zwischen ca. 130° und ca. 140° der sich überkreuzenden, relativ tiefen Honspuren ZH der Zwischenhonung ergaben.
In den 1 und 2 sind die aus der Zwischenhonung resultierenden, relativ tiefen Honspuren „ZH” als breite dunkle Spuren deutlich zu erkennen. 1 (c) zeigt die Honspuren schematisch. Aus dieser Darstellung sind auch der Winkel WA der Honspuren zur Axialrichtung AX sowie der Honwinkel HW, d. h. der zwischen den sich kreuzenden Bearbeitungsspuren eingeschlossene Winkel, zu erkennen. Das aus der Zwischenhonung resultierende Oberflächenprofil hat im Bereich der Honspuren tiefe Einschnitte und zwischen den Einschnitten Profilspitzen.
Eine nachgeschaltete Plateauhonstufe PH hat nun die Aufgabe, die Spitzen des Oberflächenprofils abzuschneiden, so dass zwischen den relativ tiefen Honspuren ZH des Zwischenhonens plateauartig flache Bereiche resultieren. Typische Materialabträge für diese Plateauhonung liegen im Bereich zwischen 1 μm und 5 μm (bezogen auf den Durchmesser). Für die Plateauhonstufe wurde das Verhältnis zwischen Axialgeschwindigkeits-Komponente und Umfangsgeschwindigkeits-Komponente so eingestellt, dass die aus der Plateauhonung resultierenden, relativ flachen Honriefen (PH) im Wesentlichen parallel oder im spitzen Winkel zu den tieferen Honspuren (ZH) der Zwischenhonung (bzw. Basishonung) verlaufen. Die eingeschlossenen Winkel liegen in der Regel im Bereich unterhalb von 10°. Die Spitzen werden dabei durch einen echten Schneidvorgang mit geringem Anpressdruck abgeschnitten und abgetragen. Für die Plateauhonung werden vorzugsweise Schneidkörper mit sehr feinen Schneidkörnern verwendet, wobei deren mittlere Durchmesser insbesondere im Bereich zwischen ca. 7 μm und ca. 25 μm liegen können (z. B. Diamantkörner D10 bis D20). Häufig sind mittlere Korndurchmesser um 15 μm, z. B. zwischen 12 μm und 18 μm günstig.
Eine Besonderheit des Verfahrens besteht darin, dass die Bearbeitungsparameter der Plateauhonung an diejenigen der vorgeschalteten Zwischenhonung so angepasst sind, dass sich am resultierenden Oberflächenprofil der plateaugehonten Oberfläche eine Kernrauhtiefe R_k von weniger als 0,4 μm ergibt. Die resultierende Kernrauhtiefe kann einerseits über die Art der verwendeten Schneidkörner und andererseits über die Einschnitttiefe der Plateauhonstufe gesteuert werden. Wie aus 3 ersichtlich, können sich bei einem gewissen Abtrag durch die Plateauhonung Werte von R_k zwischen 0.26 μm und 0.38 μm ergeben, also Werte, die deutlich unterhalb R_k = 0.4 μm liegen. Die entsprechenden Werte für die reduzierte Riefentiefe R_vk liegen im Bereich zwischen 1.14 μm und 1.49 μm. Wird bei ansonsten gleichen Verfahrensbedingungen die Plateauhonung etwas länger durchgeführt, so kann die Oberflächenstruktur noch verfeinert werden. Die zur 2 gehörenden Oberflächenprofile in 4 zeigen, dass bei geeigneter Verfahrensführung Werte R_k zwischen 0.18 μm und 0.24 μm möglich sind, wobei hier im Beispielsfall die zugehörigen Werte für R_vk im Bereich zwischen 0.92 μm und 1.18 μm liegen.
Die resultierenden Oberflächen zeichnen sich somit einerseits dadurch aus, dass sehr geringe Werte für die Kernrauhtiefe R_k erzielt werden, typischerweise mit R_k < 0.4 μm. Gleichzeitig werden je nach Dauer der Plateauhonung reduzierte Riefentiefen R_vk im Bereich zwischen ca. 1.2 μm oder 1,0 μm (bei längerer Plateauhonung) und ca. 1.5 μm (bei etwas kürzerer Plateauhonung) erzielt. Das Rauheitsverhältnis R_k/R_vk hegt damit regelmäßig bei weniger als 0,3, wobei häufig auch Werte zwischen 0,25 und 0.15 erreicht werden.
Im Übrigen sind an der Oberfläche viele bis zur Oberfläche reichende Graphitlamellen GL erkennbar, die durch die Feinbearbeitung nicht oder nur in geringem Umfang verdrückt bzw. geschlossen werden (siehe z. B. 2b mit Schemazeichnung).
Für das Zwischenhonen und das Plateauhonen wurde jeweils reines Honöl als Kühlschmierstoff verwendet, was als förderlich für die Vermeidung oder Verminderung von Verschuppungen angesehen wird.
Die Verwendung von auf diese Weise bearbeiteten Motorblöcken führt bereits zu einer deutlichen Reduzierung des Ölverbrauches gegenüber herkömmlichen Verfahren, insbesondere auch zu einer Stabilisierung des geringen Ölverbrauches über die gesamte Betriebsdauer.
Nach derzeitigem Verständnis führt die weitere Verringerung der Kernrauhtiefe gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren dazu, dass die damit sehr glatt bearbeiteten Plateaubereiche im Betrieb auch bei sehr dünnen Ölfilmen noch ausreichend gut geschmiert sind. Mit anderen Worten: die die Reduzierung des Rauheitsverhältnisses R_k/R_vk macht die Oberflächen noch toleranter für dünne Ölfilme, wodurch der Ölverbrauch vermindert werden kann. Außerdem haben die resultierenden Oberflächen einen größeren Traganteil, was speziell im Bereich des oberen Totpunktes der Arbeitsbewegung von Kolben in Zylindern von Bedeutung sein kann. In diesem Bereich kann herkömmlich der sogenannte „Zwickelverschleiß” auftreten, der zu erhöhtem Langzeit-Ölverbrauch führen kann. Die Erhöhung des Traganteiles wirkt dieser Verschleißerscheinung entgegen. Insgesamt kann durch die besondere Bearbeitung der Langzeitverbrauch an Schmierstoffen verringert werden.
Anhand von 6 werden schematisch zwei Verfahrensvarianten erläutert. Bei der mit „V1” bezeichneten ersten Verfahrensvariante ist die Bearbeitung nach der Plateauhonung (PH) beendet. Bei der zweiten Verfahrensvariante „V2” schließt sich an die Plateauhonbearbeitung eine Strahlbehandlung in Form einer Laserbelichtung LB an. Die Verfahrensführung der Laserbelichtung kann im Wesentlichen gemäß der in der DE 39 22 377 C2 beschriebenen Verfahren zur Bearbeitung von Grauguss-Motorblöcken erfolgen. Es hat sich gezeigt, dass die hier beschriebene Vorbearbeitung der gehonten Bohrung bis zum Plateauhonen sehr günstig in Kombination mit einer nachfolgenden Laserbelichtung sein kann, da die Laserbelichtung die eventuell noch vorliegenden Rest-Verschuppungen an den schon „vorgeöffneten” und nur gering verschuppten Oberflächen sehr effektiv und bei geringem Energieeinsatz beseitigen kann. Alternativ oder zusätzlich sind auch andere durch Strahlungsenergie induzierbare Modifikationen bzw. Konditionierungen der plateaugehonten Oberfläche möglich.
Die Laserbelichtung kann mit unterschiedlichen Verfahrensvarianten durchgeführt werden. Bei einer Verfahrensvariante kann mit relativ geringer Laserintensität belichtet werden, so dass die aus der Plateauhonung und der Zwischenhonung resultierende Riefenstruktur weitgehend bestehen bleibt. Durch die Laserbelichtung und die damit verbundene Oberflächenmodifikation können jedoch die Gleiteigenschaften weiter verbessert und ggf. die Abriebfestigkeit der Oberfläche verbessert sowie der Reibungskoeffizient zu den Kolbenringen verringert werden.
Wird dagegen mit Höheren Laserintensitäten belichtet, so kann die Laserbelichtung so durchgeführt werden, dass die aus den vorangegangenen Honschritten resultierende Riefenstruktur weitgehend oder ganz verschwindet. Es kann somit z. B. die in 7 schematisch gezeigte Oberflächenstruktur entstehen. Hier treten an der plateaugehonten Innenfläche IF des Werkstückes WS im Bereich der Plateaus PL oberflächennahe Modifikationen des Werkstoffes in einer Schicht S mit einer Tiefe von weniger als 1 μm auf, die beispielsweise zu einer Härtung der Oberfläche führen können. Im Bereich von Graphiteinschlüssen G kann die Laserbelichtung zu einer Öffnung dieser Einschlüsse führen, wodurch viele gut verteilte Schmiermittelreservoirs an der Zylinderlauffläche entstehen. In diesem Falle kann die Ölhaltefähigkeit der Zylinderlauffläche im Wesentlichen durch die aufgeschlossenen Nester der Graphitlamellen bzw. Graphiteinschlüsse sichergestellt werden. Für diese Verfahrensvariante ist es wiederum günstig, wenn die Einschlüsse während der vorangehenden mechanischen Honbearbeitung nicht oder nur geringfügig verdrückt und dadurch geschlossen werden.
Die dem Plateauhonen nachgeschaltete Laserbelichtung kann sich über die gesamte plateaugehonte Innenfläche erstrecken. Bei vielen Anwendungsfällen reicht es jedoch aus, wenn nur ein oder mehrere axiale Teilabschnitte nach dem Plateauhonen noch durch Laserbelichtung oder auf andere Weise strahlbehandelt werden. Hierdurch können in einem zeit- und kostenoptimierten Prozess gezielt lokal gewisse Oberflächenmodifikationen erreicht werden, während in anderen axialen Teilabschnitten die plateaugehonte Oberfläche nicht mehr modifiziert wird. Diese Verfahrensvariante wird anhand 8 beispielhaft näher erläutert. 8 zeigt einen schematischen Ausschnitt einer Abwicklung einer Zylinderlauffläche einer Brennkraftmaschine. Diese Zylinderlauffläche (auch Kolbenlaufbahn genannt) wird entweder durch die Innenfläche IF einer Zylinderbohrung in einem Motorblock oder durch die Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse gebildet, die in eine entsprechend größere Bohrung eines Zylinderblocks eingesetzt wird. Die Zylinderlauffläche erstreckt sich zwischen einer Zylinderoberkante ZO und einer Zylinderunterkante ZU, wobei die Zylinderoberkante ZO das dem Brennraum des Motors zugeordnete Ende der Zylinderbohrung bildet. Beim betriebsfertig zusammengebauten Motor bewegt sich innerhalb des Zylinders ein Kolben mit daran angebrachten Kolbenringen, die bei der axialen Hin- und Herbewegung des Kolbens die Reibpartner der Innenfläche IF des Zylinders bilden. Wenn sich der Kolben im Bereich seines oberen Totpunktes befindet, wobei der Brennraum sein minimales Volumen erreicht, so befinden sich die am Kolben angebrachten Kolbenringe in einem der Zylinderoberkante ZO nahen Zwickelbereich ZB innerhalb eines axialen Endabschnittes EA, dessen axiale Länge typischerweise weniger als 30% oder weniger als 20% der axialen Länge der Zylinderbohrung zwischen Zylinderoberkante ZO und Zylinderunterkante ZU entspricht. Im Beispielsfall des nicht maßstabsgerecht gezeichneten Zylinders von 8 beträgt die axiale Länge des Endabschnittes EA ca. 30 mm.
Die axiale Länge des laserbehandelten Abschnitts liegt in vielen Fallen zwischen ca. 10 mm und ca. 50 mm und wird vor allem durch die mittlere Kolbengeschwindigkeit bei Nenndrehzahl bestimmt. Eine typische Länge von ca. 30 mm ergibt sich beispielsweise für einen Benzinmotor mit Nenndrehzahl 6000 U/min bei einer Gesamtlänge der Zylinderbohrung von ca. 130 mm.
Die Zylinderlauffläche IF wurde zunächst in der oben beschriebenen Weise durch Vorhonen, nachfolgendes Zwischenhonen und anschließendes Plateauhonen so bearbeitet, dass eine plateaugehonte Oberfläche mit aus der Plateauhonung resultierenden, relativ flachen Honriefen PH und im Wesentlichen parallel oder im spitzen Winkel zu diesen verlaufenden, aus der Zwischenhonung resultierenden tieferen Honspuren (nicht gezeigt) entsteht, zwischen denen Plateaus PL gebildet sind (vergleiche z. B. 1 und 2). Dabei wurde beim Zwischenhonen und beim Plateauhonen das Verhältnis der Geschwindigkeitskomponenten in Axialrichtung und in Umfangsrichtung so eingestellt, dass sich Honwinkel HW zwischen ca. 130° und ca. 140° der sich überkreuzenden Honspuren ergaben. Nach dem Plateauhonen lag die reduzierte Riefentiefe R_vk über die gesamte Innenfläche IF zwischen Zylinderoberkante ZO und Zylinderunterkante ZU im Bereich zwischen 0,8 μm und 1,8 μm, die Kernrautiefe R_k im Bereich 0,1 μm und 0,4 μm und es ergab sich ein Rauheitsverhältnis R_k/R_rk < 0.3. Für die Rauheit der Plateauoberfläche zwischen den Honriefen ergab sich eine reduzierte Spitzenhöhe R_pk < 0,3 μm.
Nach der Plateauhonbearbeitung schloss sich eine Strahlbehandlung durch flächenhafte Laserbelichtung an, die sich lokal auf den relativ schmalen Endabschnitt EA an der Zylinderoberkante ZO beschränkte und damit relativ zeit- und kostengünstig durchführbar ist. Als Lichtquelle kann hierfür wird ein zur Abgabe von Ultraviolettstrahlung geeigneter Excimer-Laser verwendet werden, wobei typische Parameter den in der DE 39 22 377 C2 beschriebenen Verfahrensparametern entsprechen, die so zu wählen sind, dass die in einem Belichtungsbereich BB erzeugte Energiedichte etwa in dem Bereich liegt, die zur Bildung eines Plasmas führt. Bei bevorzugten Verfahrensvarianten kann beispielsweise mit einem einzelnen Puls ein rechteckförmiger Belichtungsbereich BB mit typischem Flächeninhalt zwischen ca. 0,5 cm² und ca. 1,5 cm² belichtet werden. Alternativ kann z. B. auch ein Festkörperlaser (z. B. Nd-YAG-Laser) oder ein Kupferdampf-Laser verwendet werden.
Bei dem anhand von 8 erläuterten Beispiel wird innerhalb des Endabschnittes EA ein Gradient der durch Laserbelichtung erzielten Oberflächenmodifikationen derart eingestellt, dass die Oberflächenmodifikation in der Nähe der Zylinderoberkante ZO besonders stark ist und in Richtung Zylinderunterkante bzw. Bohrungsmitte kontinuierlich oder in geringer Stufung derart abnimmt, dass in einem Übergangsbereich ÜB zwischen dem Endabschnitt EA und dem daran anschließenden, nicht strahlbehandelten Oberflächenbereich kein Sprung der Oberflächeneigenschaften auftritt. Im Beispielsfall wird hierzu die Intensität bzw. die Energiedichte pro Laserpuls konstant gehalten und die Anzahl der überdeckenden Belichtungen pro Flächeneinheit in Axialrichtung zwischen Zylinderoberkante ZO und Übergangsbereich ÜB allmählich reduziert. Durch die Einstellung einer geeigneten Anzahl von Laserpuls pro Flächeneinheit kann die Gesamt-Belichtungsdauer bei im Wesentlichen gleicher Energiedichte pro Puls gezielt variiert werden, um die gewünschte Oberflächenmodifikation zu erreichen.
Beispielsweise kann in einem kantennahen Axialbereich A1 mit einer zweifachen bis fünffachen Überdeckung der Belichtungsbereiche gearbeitet werden, wobei beispielsweise 3, 4 oder 5 Pulse nacheinander auf einen bestimmten Bereich abgegeben werden, bevor ein unmittelbar anschließender Nachbarbereich ebenfalls mit drei bis fünf Pulsen pro Flächeneinheit belichtet wird. Für die Belichtung einer weiter entfernt von der Zylinderoberkante liegenden Zone A2 mit einer axialen Breite von beispielsweise zwischen 10 mm und 20 mm kann beispielsweise bei gleicher Energiedichte mit einer nur ein- bis zweifachen Überdeckung gearbeitet werden, so dass die resultierende Oberflächenmodifikation in diesem Bereich geringer ausfällt. Selbstverständlich ist in Axialrichtung auch eine wesentlich feinere Stufung möglich, um einen mehr oder weniger kontinuierlichen Gradienten der Oberflächenmodifikation einzustellen. Alternativ oder zusätzlich zur Veränderung der Pulszahl pro Flächeneinheit ist es im Rahmen der verfügbaren Verfahrensparameter auch möglich, die Energiedichte pro Puls zu variieren, um eine Variation der erzielbaren Oberflächenmodifikation einzustellen.
Nach Abschluss der Laserbestrahlung hat die Zylinderlauffläche in der Nähe der Zylinderoberkante ZO einen durch Laserbestrahlung nachbehandelten Endabschnitt EA, der an einem Übergangsabschnitt ÜB in einen nicht-strahlbehandelten Restbereich der Innenfläche IF ohne Sprung der Oberflächeneigenschaften übergeht. Innerhalb des Endabschnittes EA ist die Oberflächenmodifikation in der Nähe der Zylinderoberkante ZO innerhalb des Bereiches A1 besonders stark und nimmt zum Übergangsbereich ÜB hin kontinuierlich bzw. in kleinen Schritten ab. Die Verfahrensführung ist so gewählt, dass sich durch die Oberflächenmodifikation eine Härtung der Bohrungsinnenfläche im Bereich des Endabschnittes EA ergibt, so dass der in den bearbeitenden Endabschnitt EA fallende Zwickelbereich ZB verschleißresistenter ausgestaltet ist als die im Motorenbetrieb geringer belasteten, anschließenden Bereiche zwischen dem Endabschnitt EA und der Zylinderunterkante ZU. In diesem unmodifizierten Bereich UB unterliegt die mit sehr geringer Kernrauhtiefe ausgestattete plateaugehonte Oberfläche bei den hier höheren Geschwindigkeiten des im Zylinder laufenden Kolbens allein durch die gehonte Oberflächenstruktur einen sehr geringen Verschleiß, so dass die gesamte Zylinderlauffläche hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften optimiert ist.
An dem fertig bearbeiteten Werkstück kann sich die hier beschriebene Art der gezielten Modifikation des Endabschnitts EA dadurch zeigen, dass die durch das Plateauhonen resultierenden feinen Honriefen PH im nicht-laserbestrahlten Bereich UB gut zu erkennen sind, während sie im laserbehandelten Endabschnitt EA mit zunehmender Nähe zur Zylinderoberkante ZO ihren Riefencharakter immer mehr verlieren und teilweise in der Nähe der Zylinderoberkante ZO ganz verschwinden oder stark verrundet sind.

Claims

Verfahren zur Feinbearbeitung zylindrischer Innenflächen von Bohrungen in einem Werkstück, insbesondere zur Feinbearbeitung von Zylinderlaufflächen eines Motorblocks, mit: einer Vorhonstufe zur Erzeugung einer vorgehonten Bohrung; einer der Vorhonstufe nachgeschalteten Zwischenhonstufe zur Erzeugung einer zwischengehonten Bohrung; einender Zwischenhonstufe nachgeschalteten Plateauhonstufe zur Erzeugung einer plateaugehonten Bohrung; wobei in der Zwischenhonstufe ein Honwerkzeug mit einer in Axialrichtung der Bohrung verlaufenden Axialgeschwindigkeits-Komponente und einer in Umfangsrichtung der Bohrung verlaufenden Umfangsrichtungs-Komponente bewegt und dabei ein Verhältnis zwischen Axialgeschwindigkeits-Komponente und Umfangsgeschwindigkeits-Komponente zwischen 2:1 und 10:1 eingestellt wird, und wobei Bearbeitungsparameter der Plateauhonstufe an die Oberflächenstruktur der zwischengehonten Bohrung derart angepasst sind, dass die plateaugehonte Innenfläche nach der Plateauhonstufe eine Kernrauhtiefe R_k < 0.4 μm aufweist, wobei das Honwerkzeug bei der Plateuhonstufe so bewegt wird, dass ein Verhältnis zwischen der Axialgeschwindigkeits-Komponente und der Umfangsgeschwindigkeits-Komponente zwischen 2:1 und 10:1 liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin eine Kernrauhtiefe von R_k < 0.3 μm erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Bearbeitungsparameter den Zwischenhonstufe und der Plateauhonstufe derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Innenfläche nach der Plateauhonstufe eine reduzierte Riefentiefe R_vk < 1.6 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, worin eine reduzierte Riefentiefe 1 μm < R_vk < 1.5 μm, insbesondere 0,8 μm < R_vk < 1.4 μm erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Bearbeitungsparameter der Zwischenhonstufe und der Plateauhonstufe derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Innenfläche nach der Plateauhonstufe ein Rauheitsverhältnis R_k/R_vk < 0.3 zwischen der Kernrauhtiefe R_k und der reduzierten Riefentiefe R_vk aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, worin ein Rauheitsverhältnis R_k/R_vk > 0.12 erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, worin ein Rauheitsverhältnis R_k/R_vk im Bereich zwischen 0,15 und 0,25 erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein ölhaltiger Kühlschmierstoff verwendet wird, der einen Anteil von mindestens 8 Gew.-% Öl in Wasser aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, worin der Kühlschmierstoff einen Anteil zwischen 15 Gew.-% und 30 Gew.-% Öl in Wasser aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, worin ein ölhaltiger Kühlschmierstoff verwendet wird, der einen Anteil von mindestens 90 Gew.-% Öl in Wasser aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, worin ein im Wesentlichen wasserfreier, ölhaltiger Kühlschmierstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin nach der Plateauhonstufe eine Strahlbehandlung der plateaugehonten Innenfläche durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, worin die Strahlbehandlung eine Bestrahlung der plateaugehonten Innenfläche mittels Laserstrahlung umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Werkstück ein Motorblock oder eine Zylinderlaufbuchse aus Graugussmaterial mit Graphiteinschlüssen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, worin die Strahlbehandlung nur in mindestens einem axialen Teilabschnitt der Bohrung durchgeführt wird, während mindestens ein anderer axialer Teilabschnitt keiner Strahlbehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, worin die axiale Länge des mindestens einen strahlbehandelten Teilabschnittes weniger als 50%, insbesondere weniger als 30% der durch Plateauhonen bearbeiteten Innenfläche beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, worin die Strahlbehandlung nur in mindestens einem axialen Endabschnitt der Bohrung durchgeführt wird, der unmittelbar an ein Bohrungsende anschließt oder einen im Vergleich zur axialen Länge des Endabschnitts relativ geringen Abstand zum Bohrungsende hat.
Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, worin die Strahlbehandlung bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen eines Motorblockes genutzt wird, um einen axialen Endabschnitt der Bohrung zu behandeln, der im Bereich des oberen Totpunktes eines in dem Zylinder laufenden Kolbens liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, worin die Strahlbehandlung innerhalb eines durch Strahlbehandlung behandelten Abschnittes der Bohrung mit einer in Axialrichtung variierenden Bestrahlungsintensität und/oder Bestrahlungsdauer und/oder Überdeckungszahl von Belichtungen derart durchgeführt wird, dass in dem durch Strahlbehandlung behandelten Abschnitt ein Gradient der durch Strahlbehandlung erzeugten Oberflächenmodifikationen entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, worin die Strahlbehandlung in einem axialen Endabschnitt der Bohrung mit einer in Axialrichtung vom Bohrungsende zur Bohrungsmitte abnehmender Bestrahlungsintensität und/oder Bestrahlungsdauer und/oder Überdeckungszahl von Belichtungen derart durchgeführt wird, dass der dadurch erzeugte strahlungsbehandelte Endabschnitt im Wesentlichen ohne sprunghafte Änderung der Oberflächeneigenschaften in einen zur Bohrungsmitte anschließenden, nicht-strahlungsbehandelten Bereich übergeht.
Werkstück mit mindestens einer Bohrung mit zylindrischer Innenfläche, insbesondere Zylinderlaufbuchse oder Motorblock mit einer Zylinderlauffläche eines Motorblocks, wobei die Innenfläche Honspuren aufweist, die Honwinkel von mehr als 120° und weniger als 170° einschließen, und wobei die Innenfläche eine Kernrauhtiefe R_k < 0.4 μm aufweist, wobei die Innenfläche aus einer Zwischenhonbearbeitung resultierende Honspuren größerer Tiefe aufweist, die Honwinkel von mehr als 120° und weniger als 170° einschließen, und wobei die Innenfläche aus einer Plateauhonbearbeitung resultierende Honspuren geringerer Tiefe aufweist, die Honwinkel von mehr als 120° und weniger als 170° einschließen.
Werkstück nach Anspruch 21, worin die Honspuren geringerer Tiefe parallel oder in einen Winkel von weniger als 10° zu den Honspuren mit größeren Tiefe verlaufen.
Werkstück nach Anspruch 21 oder 22, worin die Innenfläche eine Kernrauhtiefe von R_k < 0.3 μm aufweist.
Werkstück nach Anspruch 21, 22 oder 23, worin die Innenfläche eine reduzierte Riefentiefe R_vk < 1.6 μm aufweist.
Werkstück nach Anspruch 24, worin die Innenfläche eine reduzierte Riefentiefe 1 μm < R_vk < 1.5 μm, insbesondere 0,8 μm < R_vk < 1.4 μm aufweist.
Werkstück nach einem der Ansprüche 21 bis 25, worin die Innenfläche ein Rauheitsverhältnis R_k/R_vk < 0.3 zwischen der Kernrauhtiefe R_k und der reduzierten Riefentiefe R_vk aufweist.
Werkstück nach Anspruch 26, worin das Rauheitsverhältnis R_k/R_vk 0.12 beträgt.
Werkstück nach Anspruch 26, worin das Rauheitsverhältnis R_k/R_vk im Bereich zwischen 0,15 und 0,35, insbesondere zwischen 0,15 und 0,25 liegt.
Werkstück nach einem der Ansprüche 21 bis 28, worin die Innenfläche eine durch Laserbelichtung modifizierte oberflächennahe Schicht hat, die vorzugsweise eine Tiefe von weniger als 5 μm, insbesondere weniger als 1 μm aufweist.
Werkstück nach Anspruch 29, worin die Innenfläche der Bohrung in mindestens einem axialen Teilabschnitt eine durch Laserbelichtung modifizierte, oberflächennahe Schicht hat, die an eine nicht-modifizierte plateaugehonte Oberfläche anschließt.
Werkstück nach Anspruch 30, worin die axiale Länge des mindestens einen strahlbehandelten Teilabschnittes weniger als 50%, insbesondere weniger als 30% der durch Plateauhonen bearbeiteten Innenfläche beträgt.
Werkstück nach Anspruch 30 oder 31, worin der axiale Teilabschnitt ein Endabschnitt der Bohrung ist.
Werkstück nach Anspruch 30, 31 oder 32, worin es sich bei der Innenfläche der Bohrung um eine Zylinderlauffläche für einen Motorblock handelt und der Endabschnitt derart dimensioniert ist, dass er einen Zwickelbereich umfasst, in dem die Kolbenringe eines in der Zylinderlauffläche laufenden Kolbens ihren oberen Totpunkt oder unteren erreichen.
Werkstück nach einem der Ansprüche 29 bis 33, worin innerhalb des durch Laserbelichtung strahlbehandelten Teilabschnittes ein axialer Gradient der Oberflächenmodifikation vorliegt, wobei vorzugsweise das Ausmaß der Oberflächenmodifikationen in einem Übergangsbereich zwischen dem strahlbehandelten Teilabschnitt und einem anschließenden nicht-strahlbehandelten Teilabschnitt derart kontinuierlich abnimmt, dass in Axialrichtung im Wesentlichen kein Sprung der Oberflächeneigenschaften vorliegt.