DE102007018653A1

DE102007018653A1 - Verfahren zum Behandeln einer Gleitfläche eines Eisen-Werkstücks, insbesondere eines Grauguss-Werkstücks, sowie Prüfvorrichtung für ein solches Verfahren

Info

Publication number: DE102007018653A1
Application number: DE102007018653A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Rothe; Axel Pohlmann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2027-04-21
Also published as: DE102007018653B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln einer Gleitfläche (3) eines Eisen-Werkstückes oder eines Grauguss-Werkstückes (1), insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine, mit einem Honschritt zur Oberflächenbearbeitung der Gleitfläche (3) und einem nachfolgenden Belichtungsschritt (II), bei dem die honbearbeitende Gleitfläche (3) des Grauguss-Werkstücks (1) laserbelichtet wird, um Grafitporen (5) der Gleitfläche (3) freizulegen. Erfindungsgemäß wird in einem zusätzlichen Prüfschritt (I) Honparameter (b) erfasst werden und daraus die Honqualität bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln einer Gleitfläche eines Eisen-Werkstücks, insbesondere eines Grauguss-Werkstücks nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Prüfvorrichtung nach dem Patentanspruch 13.
Die Laufbahnen eines Zylinderblocks einer Brennkraftmaschine werden üblicherweise durch Honen bearbeitet. Hierbei führt das Honwerkzeug eine rotatorische sowie translatorische Bewegung aus. Durch diese sich überlagernden Werkzeugbewegungen entsteht auf der Zylinderlaufbahn eine Kreuzriefenstruktur. Diese ist aufgrund der in den Honleisten gebundenen Schleifkörner mit ihren unbekannten negativen Schnittwinkeln „durchfurcht". Dadurch werden Grafitausscheidungen, die zur Laufbahnfläche offene Poren bilden können, zum größten Teil verschlossen bzw. zugeschmiert.
Solche Poren steigern im Brennkraftmaschinen-Betrieb die Ölhaltefähigkeit der Zylinderlaufbahn und geben der Zylinderlaufbahn eine Mikrohydrodynamik-Oberflächenstruktur. Die guten tribologischen Eigenschaften einer an der Zylinderlaufbahn-Oberfläche offenen Struktur der Grafitausscheidungen werden somit durch den Honverarbeitungsvorgang beeinträchtigt. Der Motorenbauer spricht hier von einer sogenannten Blechmantelbildung.
Aus der DE 39 22 377 C2 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Behandeln von gehonten Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen aus Metall bekannt. Hierbei werden die Zylinderlaufbahnen mittels einer Kurzpuls-Laserbelichtung behandelt. Die Energiedichte der Laserstrahlung reicht dabei, um die Oberfläche der Zylinderlaufbahn anzuschmelzen. Zur Laserbelichtung wird als ein Kurzpulslaser ein Excimer-Laser mit einer Pulsdauer von ca. 30 ns verwendet.
Die Photonen eines Laserpulses haben folgende Wirkungen auf die Zylinderlaufbahn-Topographie: Zum einen wird Oberflächenmaterial verdampft, wodurch die Grafitausscheidungen freigelegt werden. Außerdem wird die Oberfläche aufgeschmolzen mit nachfolgender schlagartiger Erstarrung.
Prozessbedingt kann der Laser während des Belichtungsschritts nur eine Blechmanteldicke von ca. 2 μm aufschmelzen bzw. verdampfen. Die Dicke des Blechmantels aus der Honbearbeitung ist also für den weiteren Prozess von hoher Bedeutung: Ist die Blechmanteldicke zu groß, können durch die Laserbelichtung die Grafitlamellen nicht freigelegt werden. Dies führt im späteren Motorbetrieb zu einem Mangel an Schmierstoffreservoirs und damit zu einem Versagen der Paarung Zylinderlaufbahn/Kolbenring.
Aus der DE 102 02 792 A1 ist ein Prüfverfahren zur Ermittlung von Beschichtungsfehlern an beschichteten Bauteilen bekannt. In dem Verfahren wird ein beschichtetes Bauteil erhitzt und mittels einer Wärmebildkamera ein Ist-Wärmebild von dem Bauteil erfasst. Das Ist-Wärmebild wird mit einem Soll-Wärmebild verglichen. Am Ort der Bildabweichungen der Wärmebilder kann so ein Beschichtungsfehler erkannt werden. Aus der DE 689 06 317 T2 ist ein Verfahren zur Ortung von Reibungsfehlern im Aufbau eines Vielfachlagers bekannt. Die Reibungsfehler werden mittels Infrarot-Thermografie erfasst.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Behandlung einer Gleitfläche eines Grauguss-Werkstücks bereitzustellen, die dauerhaft und zuverlässig funktionsfähig ist.
Die Aufgabe ist gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 werden in einem zusätzlichen Prüfschritt Honparameter erfasst und wird daraus die Honqualität bestimmt. Die Honqualität bzw. die Güte der honbearbeiteten Gleitfläche des Werkstücks ist von wesentlicher Bedeutung für die nachfolgende Laserbelichtung.
Als Honparameter können allgemein Parameter vom Honwerkzeug erfasst werden, die Rückschlüsse auf einen Werkzeugverschleiß ermöglichen. Prozesstechnisch besonders einfach ist jedoch die Erfassung von Parametern, die das Honergebnis, also die honbearbeitete Gleitfläche betreffen. In diesem Fall erfolgt der erfindungsgemäße Prüfschritt zeitlich nach der Honbearbeitung. Der Prüfschritt kann zwischen dem Honschritt und dem Belichtungsschritt geschaltet sein. Durch den zwischengeschalteten Prüfschritt kann – im Gegensatz zu einer nach der Laserbelichtung erfolgenden Prüfung – eine unnötige Laserbelichtung bei Ausschussteilen aus der Honung vermieden werden. Außerdem kann durch die Überwachung der Honparameter im zwischengeschalteten Prüfschritt ein Honwerkzeugverschleiß besser erfasst werden.
Der Prüfschritt kann bevorzugt in den Bearbeitungsprozess integriert werden, so dass nicht nur eine stichprobenartige Prüfung, sondern auch eine lückenlose Prüfung der Werkstücke ermöglichst ist, da die Qualitätskontrolle über eine optische Auswertung einfach automatisierbar ist.
Zur Überwachung der Honqualität kann die Materialstärke eines Blechmantels erfasst werden, der sich während der Honbearbeitung bildet und die Grafitporen zur Gleitfläche hin zumindest teilweise überdeckt. Wenn die erfasste Materialstärke des Blechmantels zu groß ist, können durch die folgende Laserbelichtung die Grafitlamellen nicht mehr freigelegt werden. Das Werkstück kann dann bei zu großer Blechmantelstärke noch vor der Laserbelichtung als Ausschlussteil aus dem Bearbeitungsprozess genommen werden.
Bevorzugt kann der Prüfschritt für das Werkstück zerstörungsfrei erfolgen. Hier hat sich als Prüfmethode die Wärmefluss-Thermografie als vorteilhaft erwiesen. Bei der Thermografie wird die Tatsache genutzt, dass Grafit ein schlechterer Wärmeleiter als Eisen ist. Bei einem Wärmeeintrag in das Grauguss-Werkstück ist daher im Bereich des Grafits die Wärmeleitfähigkeit reduziert.
Bei der Thermografie kann der Wärmeeintrag durch einen kurzen Wärmeimpuls erfolgen. Eine Wärmebildkamera kann dann Temperaturunterschiede auf der Gleitfläche sichtbar machen, die sich aufgrund unterschiedlicher Güte des Wärmetransports in das Körperinnere des Grauguss-Werkstückes ergeben. Mittels des Thermografie- bzw. Wärmeflussprüfverfahrens können daher äußerlich nicht sichtbare Materialdefekte im Werkstück gefunden werden, etwa Blasen, Lunker, Risse oder Korrosionen.
Dem Prüfschritt kann bevorzugt eine automatische Auswertung von erfassten Honparametern zugeordnet sein. Insbesondere kann hier die erfasste Blechmantelstärke mit einer Grenz-Blechmantelstärke verglichen werden und in Abhängigkeit von diesem Vergleich der Belichtungsschritt erfolgen. Für den Fall, dass die erfasste Blechmantelstärke größer als die Grenz-Blechmantelstärke ist, kann ein Warnsignal erzeugt werden bzw. eine Prozesskontrolle durchgeführt werden.
Der erfindungsgemäße Prüfschritt kann mittels der oben erwähnten Thermografie besonders einfach bewerkstelligt werden. Bei der Thermografie wird mittels eines Wärmeimpulsgebers Wärme in die Gleitfläche des Werkstückes eingetragen. Dabei kann mittels eines Wärmescanners der relativ hohe Anteil an Wärmerückstrahlung von Grafit und/oder einem dünnwandigen Blechmantel erfasst werden, der kleiner als die Grenz-Blechmantelstärke ist, die in einem Bereich von etwa 2 μm liegen kann. Der Anteil an Wärmerückstrahlung kann auf einem vom Wärmescanner erfassten Wärmebild als ein Schwarz-Anteil erscheinen, während der Anteil der Wärmeableitung als ein Weiß-Anteil dargestellt werden kann.
Für den Fall, dass der Schwarz-Anteil größer als ein Grenzwert ist, ist der Anteil an freigelegten Grafitausscheidungen und/oder Blechmantel geringer Materialstärke ausreichend groß. Das Grauguss-Werkstück wird daher zum Belichtungsschritt weitergeleitet. Im Gegenzug wird bei einem Schwarz-Anteil kleiner als der Grenzwert ein Warnsignal erzeugt und/oder erfolgt eine Prozesskontrolle.
Erfindungsgemäß wird daher auf einen prozesstechnisch aufwendigen Vergleich eines Ist-Wärmebilds mit einem Soll-Wärmebilds verzichtet, bei dem anhand von Bildabweichungen zusätzlich die Lage der Fehlstellen auf der Gleitfläche bestimmt werden können.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:
1 in einem Blockschaltdiagramm das erfindungsgemäße Verfahren; und
2 und 3 jeweils schematische Schnittansichten, die die Gleitfläche des Grauguss-Werkstückes nach der Honbearbeitung sowie nach der Laserbelichtung zeigen.
In der 1 ist grob schematisch im Teilschnitt ein Grauguss-Zylinderkurbelgehäuse 1 mit einer Zylinderlaufbahn 3 angedeutet. Die Laufbahn des Zylinderblocks 1 der Brennkraftmaschine ist in üblicher Weise durch Honen bearbeitet, wodurch aufgrund sich überlagernder Werkzeugbewegungen eine Kreuzriefenstruktur auf der Zylinderlaufbahn 3 entsteht. Die Zylinderlaufbahn 3 des Zylinderblocks 1 ist in der 2 vergrößert gezeigt. Daraus geht hervor, dass die oberflächennahen Grafitlamellen 5, die zur Laufbahnfläche 3 offene Poren bilden sollen, zum größten Teil durch sogenannte Blechmäntel 7 verschlossen sind, die während der Honbearbeitung entstehen und die Grafitlamellen 5 zuschmieren.
In der 3 ist die Zylinderlaufbahn 3 nach erfolgtem Belichtungsschritt II gezeigt. Während des Belichtungsschritts II wird die Zylinderlaufbahn 3 des Zylinderblocks 1 mit Laser belichtet. Dadurch wird Oberflächenmaterial der Zylinderlaufbahn 3 verdampft bzw. aufgeschmolzen, wodurch die Blechmäntel 7 abgetragen und entsprechend die zugeschmierten Grafitlamellen 5 freigelegt werden können. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass im späteren Brennkraftmaschinen-Betrieb die so freigelegten Poren die Ölhaltefähigkeit der Zylinderlaufbahn 3 steigern und die Zylinderlaufbahn-Gleitfläche insgesamt gute tribologische Eigenschaften aufweist.
Prozessbedingt kann bei der Laserbelichtung lediglich eine maximale Materialstärke a von 2 bis 3 μm abgetragen werden, wie es in der 2 angedeutet ist. Bei Blechmantelstärken von mehr als 2 bis 3 μm bleiben daher die Grafitporen 5 auch nach erfolgter Laserbelichtung zugeschmiert bzw. verschlossen. Dies führt nachteilhaft im späteren Brennkraftmaschinenbetrieb zu einem Mangel an Schmierstoffreservoirs und damit zu reduzierten tribologischen Eigenschaften der Zylinderlaufbahn 3.
Um Zylinderblöcke, deren Laufbahnen derart schlechte tribologischen Eigenschaften aufweisen, als Ausschussteile aus dem weiteren Bearbeitungsprozess zu nehmen, ist erfindungsgemäß zwischen dem Honschritt und dem Belichtungsschritt II der Prüfschritt I zwischengeschaltet, mittels dem nach erfolgter Honung die Materialstärke b der Blechmäntel 7 erfasst und daraus die Honqualität bestimmt wird. Zylinderblöcke 1, deren Zylinderlaufbahnen 3 nach dem Honen zu große Blechmantelstärken b aufweisen, können daher bereits vor dem Belichtungsschritt II aus dem Prozess genommen werden.
Zur Durchführung des Prüfschrittes I ist gemäß der 1 ein Impulsgeber 8 sowie ein Wärmescanner 9 vorgesehen, die über einen Hohlleiter 11 und einen Umlenkspiegel 10 mit der Zylinderlaufbahn 3 in optischem Kontakt sind. Der Impulsgeber 8 bringt über Wärmeimpulse 12 einen Wärmestrom in die Zylinderlaufbahn 3 ein. Nach der Wärmeeintragung wird der Anteil an Wärmerückstrahlung 13 vom Wärmescanner 9 als ein Wärmebild erfasst. Der Anteil an Wärmerückstrahlung 13 auf dem erfassten Wärmebild wird dabei als ein Schwarz-Anteil dargestellt, während der Anteil der Wärmeableitung in das Körperinnere des Zylinderblocks 1 als Weiß-Anteil im Wärmebild erscheint.
Das vom Wärmescanner 9 erfasste Wärmebild wird im Wandlerelement 15 digitalisiert und an eine Auswerteeinheit 17 geleitet. In der Auswerteeinheit 17 wird der Schwarz-Anteil im Wärmebild mit einem Grenzwert x verglichen, der beispielhaft bei 10% liegen kann. Bei einem Schwarz-Anteil, der größer als der Grenzwert x ist, sind die Grafitlamellen 5 ausreichend freigelegt. Der Zylinderblock 1 wird daher zum Belichtungsschritt II geleitet.
Bei einem Schwarz-Anteil, der kleiner als der Grenzwert x ist, sind die Grafitlamellen 5 zum großen Teil noch vom Blechmantel 7 zugeschmiert. Der Zylin derblock 1 wird daher nicht zum Belichtungsschritt II geleitet, sondern es kann ein Warnsignal erzeugt werden und/oder eine Prozesskontrolle erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3922377 C2 [0004]
- DE 10202792 A1 [0007]
- DE 68906317 T2 [0007]

Claims

Verfahren zum Behandeln einer Gleitfläche (3) eines Eisen-Werkstückes oder eines Grauguss-Werkstückes (1), insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine, mit einem Honschritt zur Oberflächenbearbeitung der Gleitfläche (3) und einem nachfolgenden Belichtungsschritt (II), bei dem die honbearbeitende Gleitfläche (3) des Grauguss-Werkstücks (1) laserbelichtet wird, um Grafitporen (5) der Gleitfläche (3) freizulegen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zusätzlichen Prüfschritt (I) Honparameter (b) erfasst werden und daraus die Honqualität bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfschritt (I) zeitlich nach dem Honbearbeitungsschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfschritt (I) vor dem Belichtungsschritt (II) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung der Honqualität eine Materialstärke (b) eines sich beim Honschritt bildenden, die Grafitporen (5) zur Gleitfläche (3) zumindest teilweise überdeckenden Blechmantels (7) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfschritt (I) für das Grauguss-Werkstück (1) zerstörungsfrei erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfschritt (I) mittels Thermografie erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Prüfschrittes (I) eine Auswertung erfasster Honparameter erfolgt, und/oder die erfasste Blechmantelstärke (b) mit einer Grenz-Blechmantelstärke (a) verglichen wird, und in Abhängigkeit von diesem Vergleich das Werkstück (1) zum Belichtungsschritt (II) geleitet oder aus dem Bearbeitunsprozess genommen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass die erfasste Blechmantelstärke (b) größer als die Grenz-Blechmantelstärke (a) ist, ein Warnsignal erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Thermografie nach erfolgter Wärmeeintragung in die Gleitfläche (3) der Anteil an Wärmerückstrahlung (13) über die Gleitfläche (3) verteilt erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Wärmerückstrahlung (13) auf einem erfassten Wärmebild als Schwarz-Anteil, und der Anteil der Wärmeableitung als Weiß-Anteil darstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Schwarz-Anteil größer als ein vorgegebener Grenzwert (x) ist, das Grauguss-Werkstück (1) zum Belichtungsschritt (II) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Schwarz-Anteil kleiner als der Grenzwert (x) ein Warnsignal und/oder eine Prozesskontrolle erfolgt.
Prüfvorrichtung zur Überwachung der Honqualität bei einer honbearbeiteten Gleitfläche, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Einrichtung, die Honparameter erfasst und daraus die Honqualität bestimmt.