DE102008024313A1

DE102008024313A1 - Verfahren zur Vorkonditionierung einer zu beschichtenden Oberfläche

Info

Publication number: DE102008024313A1
Application number: DE102008024313A
Authority: DE
Inventors: Christian Martin Dr. Ing. Erdmann; Eyuep Akin Dipl.-Ing. Özdeniz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-12-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorkonditionierung einer zu beschichtenden Oberfläche (2), bei dem Hinterschnitte (3) und/oder Vorformen der Hinterschnitte (3) spanend und/oder prägend in die Oberfläche (2) eingebracht werden, wobei bei den Vorformen zur Erzeugung der Hinterschnitte (3) mindestens ein weiterer, spanloser Verfahrensschritt durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorkonditionierung einer zu beschichtenden Oberfläche.
Bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren wird aus Gründen der Energieeffizienz und der Emissionsreduzierung eine möglichst geringe Reibung und eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit angestrebt. Hierzu werden Motorbauteile, wie zum Beispiel Zylinderbohrungen bzw. deren Wandungen mit einer Laufflächenschicht versehen oder es werden Laufbuchsen in die Zylinderbohrungen eingesetzt, welche mit einer Laufflächenschicht versehen werden. Das Aufbringen solcher Laufflächenschichten erfolgt oft mittels thermischen Spritzens, beispielsweise Lichtbogendrahtspritzen. Beim Lichtbogendrahtspritzen wird zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Dabei schmelzen die Drahtspitzen ab und werden beispielsweise mittels eines Zerstäubergases auf die zu beschichtende Oberfläche, beispielsweise die Zylinderwand befördert, wo sie sich anlagern.
Ziel ist dabei, die gesamte Lauffläche homogen zu beschichten. Um eine gute Haftung der Laufflächenschicht auf der zu beschichtenden Oberfläche, auch Substrat genannt, sicher zu stellen, sind verschiedene Verfahren zur Aktivierung der Oberfläche gebräuchlich, bei denen die Oberfläche angeraut wird, damit Beschichtungspartikel besser an der Oberfläche haften. Solche Verfahren sind beispielsweise Hochdruckwasserstrahlen (HDWS) oder Korundstrahlen. Diese Verfahren sind kompliziert in der Handhabung und bergen das Risiko, die Oberfläche mit unerwünschten Fremdstoffen zu kontaminieren. Beim Hochdruckwasserstrahlen können beispielsweise im Wasser vorhandene Bakterien in der aufgerauten Oberfläche siedeln.
Aus der EP 1 854 903 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung verschleißfester Beschichtungen auf einem Metallgrundkörper, insbesondere aus Leichtmetall bekannt, das folgende Verfahrensschritte umfasst:

– mechanisches Aufrauen der zu beschichtenden Fläche auf dem Metallgrundkörper;
– Reinigen und Aufrauen der zu beschichtenden Fläche mittels eines Laserstrahls; und
– Auftragung einer verschleißfesten Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens.

Die Bearbeitung mittels des Laserstrahls erfordert eine sehr hohe Präzision.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Vorkonditionierung einer zu beschichtenden Oberfläche anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vorkonditionierung einer zu beschichtenden Oberfläche werden Hinterschnitte und/oder Vorformen der Hinterschnitte spanend und/oder prägend, beispielsweise mittels Drehen und/oder Fräsen und/oder einer Vorrichtung mit einer gehärteten Mikrotopographie auf einer der Bearbeitung dienenden Mantelfläche in die Oberfläche eingebracht.
Beispielsweise kann eine Sägezahngeometrie in die Oberfläche gedreht oder gefräst werden, die einen Hinterschnitt umfasst.
Vorformen der Hinterschnitte können beispielsweise prismatische Strukturen sein, beispielsweise mit der Kontur eines zumindest annähernd gleichschenkligen Dreiecks. Diese Vorformen können dann in einem weiteren, spanlosen, das heißt nichtspanenden Verfahrensschritt so verformt werden, dass sich die gewünschten Hinterschnitte ergeben.
Beispielsweise können Kanten solcher prismatischen Strukturen gespalten werden, so dass sich palmenblattförmige Hinterschnitte ergeben.
Alternativ können die Kanten der prismatischen Strukturen gestaucht werden, so dass sich t-förmige Hinterschnitte ergeben.
Ein Stauchen kann auch nach dem Spalten erfolgen um die Ausbildung der palmenblattförmigen Hinterschnitte zu verbessern.
Ebenso kann zunächst gestaucht werden um das Ergebnis anschließend durch Spalten zu optimieren.
Mittels der Vorrichtung, insbesondere einer axialsymmetrischen Vorrichtung mit mehreren Backen, mit einer gehärteten Mikrotopographie auf der zur Bearbeitung dienenden Mantelfläche können Vorformen in der Art von Mikrokavernen-Geometrien in die zu bearbeitende Oberfläche eingeprägt werden, indem die Vorrichtung auf die zu bearbeitende Oberfläche hin zugestellt wird. In mindestens einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein spanloses Umformen der Mikrokavernengeometrie zur Bildung der Hinterschnitte.
In diesem Verfahrensschritt kann die Mikrokavernengeometrie beispielsweise gestaucht und/oder gespalten werden.
Die Mikrotopographie und ein radialer Freiheitsgrad der Vorrichtung können so beschaffen sein, dass sich eine Mikrokavernengeometrie mit etwa 100 μm tiefen Kavernen ergibt.
Mit auf solche Weise erzeugten Hinterschnitten ist eine optimale Adhäsion zwischen einer nachfolgend aufgebrachten Schicht und der Oberfläche erreichbar, da die Schicht sich in den Hinterschnitten verkrallt.
Alle Ausführungsformen des Verfahrens sind mit hoher Reproduzierbarkeit bei kurzen Taktzeiten wirtschaftlich in der Massenproduktion einsetzbar. Der Werkzeug- und Applikationsaufwand ist gering. Verglichen mit dem Hochdruckwasserstrahlverfahren ergibt sich eine verbesserte Umweltverträglichkeit, da kein verschmutztes Wasser entsorgt werden muss.
Die Vorkonditionierung mittels Spalten oder Stauchen der prismatischen Vorform führt zu besonders effektiven Hinterschnitten.
Als Oberfläche kann insbesondere eine Innenfläche eines Hohlzylinders, beispielsweise eine Zylinderlaufbahn eines Verbrennungsmotors vorkonditioniert werden, wobei die Hinterschnitte im Hohlzylinder umlaufend erzeugt werden. Zum Drehen und/oder Fräsen und/oder Spalten und/oder Stauchen wir dabei insbesondere ein radial zustellbares Werkzeug verwendet um das Werkzeug zunächst problemlos ohne Beschädigung der Oberfläche in den Zylinder einzuführen und dann an Ort und Stelle Oberflächenbearbeitungsmittel des Werkzeugs im erforderlichen Ausmaß radial in Richtung der Oberfläche zuzustellen. Zum Entfernen des Werkzeugs aus dem Zylinder werden die Oberflächenbearbeitungsmittel wieder zurückgezogen. Zum Spalten kann ein axialsymmetrisches Werkzeug mit mindestens drei rotierbaren Walzen verwendet werden. Die Walzen sind vorzugsweise in der Art aufeinander gestapelter kreisförmiger Messer mit definiertem Abstand untereinander gebildet.
Es sind auch anders gestaltete Oberflächen, beispielsweise Außenflächen von Wellen mit dem Verfahren vorkonditionierbar.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines Teils eines Zylinders eines Verbrennungsmotors mit einer sägezahnförmig für einen Beschichtungsvorgang vorkonditionierten Oberfläche einer Zylinderlaufbahn,
2 einen Schnitt durch eine mit prismatischen Vorformen versehene Oberfläche,
3 den Schnitt durch die mit prismatischen Vorformen versehene Oberfläche aus 2 mit einem Teil eines Spaltwerkzeugs,
4 den Schnitt durch die Oberfläche aus 2, wobei die prismatischen Vorformen zur Bildung von Hinterschnitten gespalten wurden,
5 ein axialsymmetrisches, radial zustellbares Werkzeug mit rotierbaren Walzen zum Spalten der prismatischen Vorformen,
6 den Schnitt durch die mit prismatischen Vorformen versehene Oberfläche aus 2 mit einem Teil eines Stauchwerkzeugs,
7 den Schnitt durch die Oberfläche aus 2, wobei die prismatischen Vorformen zur Bildung von Hinterschnitten gestaucht wurden,
8 ein axialsymmetrisches, radial zustellbares Werkzeug zum Stauchen der prismatischen Vorformen,
9 einen Zylinder mit einer axialsymmetrischen Vorrichtung mit mehreren Backen zum Prägen der Vorform,
10 verschiedene mit der Vorrichtung aus 9 in der Oberfläche erzeugte Mikrokavernengeometrien, und
11 Varianten der zur Bildung von Hinterschnitten spanlos umgeformten Mikrokavernengeometrien aus 10.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Schnittdarstellung eines Teils eines Zylinders 1 eines Verbrennungsmotors mit einer sägezahnförmig für einen Beschichtungsvorgang vorkonditionierten Oberfläche 2 einer Zylinderlaufbahn gezeigt. Die Oberfläche weist Hinterschnitte 3 auf, die ein sicheres Anhaften einer später aufzubringenden Beschichtung ermöglichen. Die sägezahnförmige Oberfläche 2 wird durch Fräsen oder Drehen erzeugt. Dies geschieht zum Beispiel mittels eines axialsymmetrischen, radial zustellbaren Werkzeugs (nicht gezeigt), das Schneiden aufweist, die zum Einführen in den Zylinder 1 zunächst soweit in Richtung einer Rotationsachse des Werkzeugs gestellt sind, das ein problemloses Einführen möglich ist. Sobald das Werkzeug die gewünschte Position erreicht hat, werden die Schneiden in radialer Richtung auf die Oberfläche 2 hin zugestellt. Zur Erzeugung der Hinterschnitte 3 muss die Zustellbewegung auch eine axiale Komponente während des Fräsvorgangs aufweisen.
2 zeigt einen Schnitt durch eine mit Vorformen in Gestalt prismatischer Strukturen 4 versehene Oberfläche 2. Die prismatischen Strukturen 4 werden als Umlaufprismen ebenfalls durch Fräsen oder Drehen erzeugt. Hierbei ist anders als in 1 jedoch nur eine radiale Zustellbewegung des Werkzeugs ohne axiale Komponente erforderlich. Die prismatischen Strukturen 4 weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Querschnitt in der Art eines zumindest annähernd gleichschenkligen Dreiecks auf, können aber auch anders gebildet sein.
3 zeigt den Schnitt durch die mit prismatischen Strukturen 4 versehene Oberfläche 2 aus 2 mit einem Messer 5. Es wird so positioniert, dass es jeweils auf eine Kante 6 der prismatischen Struktur 4 wirkt. Dabei wird eine Kraft F in Richtung der Kante 6 ausgeübt.
4 zeigt den Schnitt durch die Oberfläche 2 aus 2 und 3, wobei die zuvor prismatischen Strukturen 4 zur Bildung von Hinterschnitten 3 durch das Messer 5 gespalten wurden. Die palmenblattförmig gebildeten Hinterschnitte 3 erlauben ein sicheres Anhaften der später aufzubringenden Beschichtung.
In 5 ist ein axialsymmetrisches, radial zustellbares Spaltwerkzeug 7 zum Spalten der prismatischen Strukturen 4 gezeigt. Das Spaltwerkzeug 7 weist rotierbare Walzen 8 auf. Die Walzen 8 sind in der Art aufeinander gestapelter kreisförmiger Messer 5 mit definiertem Abstand untereinander gebildet. Zum Vorkonditionieren eines Zylinders 1 sind mindestens drei solcher rotierbaren Walzen 8 erforderlich. Es kann auch eine größere Anzahl Walzen 8 vorgesehen sein. Das Spaltwerkzeug 7 wird zunächst mit in Radialrichtung r zu einer Rotationsachse 9 hin verstellten Walzen 8 in Axialrichtung a in den Zylinder 1 eingeführt und axial so positioniert, dass die Messer 5 bezüglich der Kanten 6 die in 3 gezeigte Position einnehmen. Während das Spaltwerkzeug 7 rotiert, werden die Walzen 8 und damit die Messer 5 radial von der Rotationsachse 9 weg zu den prismatischen Strukturen 4 hin zugestellt. Die Messer 5 rollen dabei auf den Kanten 6 ab und spalten diese auf, wie in 4 gezeigt wurde. Zum Entfernen des Spaltwerkzeugs 7 werden die Walzen 8 wieder in Richtung der Rotationsachse 9 verstellt, bevor das Spaltwerkzeug 7 in Axialrichtung a aus dem Zylinder 1 gezogen wird.
6 zeigt den Schnitt durch die mit prismatischen Strukturen 4 versehene Oberfläche 2 aus 2 mit einer Stauchbacke 10. Statt wie in 3 und 4 die Kanten 6 zu spalten, wird mittels der Stauchbacke 10 eine Kraft F auf die Kanten 6 ausgeübt.
Dies führt zu gestauchten, das heißt abgeflachten Flächen anstelle der Kanten 6, hinter denen sich die t-förmig gebildeten Hinterschnitte 3 ausbilden, wie in 7 gezeigt ist.
8 zeigt ein als ein axialsymmetrisches, radial zustellbares Werkzeug ausgebildetes Stauchwerkzeug 11 zum Stauchen der prismatischen Strukturen 4. Ähnlich wie beim Spaltwerkzeug 7 sind zum Vorkonditionieren eines Zylinders 1 mindestens drei Stauchbacken 10 erforderlich. Es kann auch eine größere Anzahl Stauchbacken 10 vorgesehen sein. Das Stauchwerkzeug 11 wird zunächst mit in Radialrichtung r zur Rotationsachse 9 hin verstellten Stauchbacken 10 in Axialrichtung a in den Zylinder 1 eingeführt. Während das Stauchwerkzeug 11 rotiert, werden die Stauchbacken 10 radial von der Rotationsachse 9 weg zu den prismatischen Strukturen 4 hin zugestellt. Dabei werden die Kanten 6 gestaucht, wie in 7 gezeigt wurde. Zum Entfernen des Stauchwerkzeugs 11 werden die Stauchbacken 10 wieder in Richtung der Rotationsachse 9 verstellt, bevor das Stauchwerkzeug 11 in Axialrichtung a aus dem Zylinder 1 gezogen wird.
Zur Verbesserung der Form der Hinterschnitte 3 kann nach dem Spalten zusätzlich ein Stauchen erfolgen. Ebenso kann nach dem Stauchen zusätzlich ein Spalten durchgeführt werden.
Es sind auch anders gestaltete Oberflächen 2, beispielsweise Außenflächen von Wellen mit dem Verfahren vorkonditionierbar. In diesem Fall sind anders gestaltete Werkzeuge erforderlich, die insbesondere nicht axialsymmetrisch und radial zustellbar ausgebildet sein müssen.
Die nachfolgende Beschichtung kann beispielsweise mittels thermischen Spritzens, insbesondere Lichtbogendrahtspritzens erfolgen.
Eine Vorform kann auch mittels einer axialsymmetrischen Vorrichtung 12 mit mehreren Backen 13 erzeugt werden, wie in 9a dargestellt ist. 9b ist eine Schnittdarstellung des Zylinders 1 und der Vorrichtung 12. Die Backen 13 weisen Mantelfläche mit einer Mikrotopographie auf und werden durch Vortrieb eines Kegels 14 in Axialrichtung a an die Oberfläche 2 des Zylinders 1 gedrückt. Dabei wird die Mikrotopographie in die Oberfläche 2 gedrückt hinterlässt dort eine eingeprägte Mikrokavernengeometrie, beispielsweise in der Art, wie in den 10a und 10b gezeigt ist. 10a zeigt eine Mikrokavernengeometrie ähnlich den prismatischen Strukturen 4 während die Mikrokavernengeometrie in 10c einen eher sinusartigen Querschnitt aufweist. Ebenso ist eine stochastische Mikrokavernengeometrie denkbar.
In mindestens einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein spanloses Umformen der Mikrokavernengeometrie zur Bildung der Hinterschnitte 3. In 11a wurde beispielsweise die Mikrokavernengeometrie aus 10a so gestaucht, dass die Hinterschnitte 3 sich durch seitliches Umbiegen der Zacken bilden. In 11b wurden Hinterschnitte 3 durch seitliches Umbiegen der sinusartigen Mikrokavernengeometrie aus 10b mittels Stauchen erreicht. Schließlich ist auch ein Spalten der Mikrokavernengeometrie denkbar, wie in 11c dargestellt ist.

1: Zylinder
2: Oberfläche
3: Hinterschnitt
4: prismatische Struktur
5: Messer
6: Kante
7: Spaltwerkzeug
8: Walze
9: Rotationsachse
10: Stauchbacke
11: Stauchwerkzeug
12: Vorrichtung
13: Backe
14: Kegel
a: Axialrichtung
F: Kraft
r: Radialrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1854903 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Vorkonditionierung einer zu beschichtenden Oberfläche (2), dadurch gekennzeichnet, dass Hinterschnitte (3) und/oder Vorformen der Hinterschnitte (3) spanend und/oder prägend in die Oberfläche (2) eingebracht werden, wobei bei den Vorformen zur Erzeugung der Hinterschnitte (3) mindestens ein weiterer, spanloser Verfahrensschritt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschnitte (3) als Teil einer Sägezahngeometrie in die Oberfläche (2) eingefräst oder gedreht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorformen prismatische Strukturen (4) in die Oberfläche (2) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die prismatischen Strukturen (4) einen Querschnitt in der Art eines zumindest annähernd gleichschenkligen Dreiecks aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorformen in einem der weiteren Verfahrensschritte gespalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorformen in einem der weiteren Verfahrensschritte gestaucht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Oberfläche (2) eine Innenfläche eines Hohlzylinders (1) vorkonditioniert wird, wobei die Hinterschnitte (3) im Hohlzylinder (1) umlaufend erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zylinderlaufbahn vorkonditioniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Drehen und/oder Fräsen und/oder Spalten und/oder Stauchen ein axialsymmetrisches, radial zustellbares Werkzeug verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Spalten ein Spaltwerkzeug (7) mit mindestens drei rotierbaren Walzen (8) verwendet wird, die in der Art aufeinander gestapelter kreisförmiger Messer (5) mit definiertem Abstand untereinander gebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorformen mittels einer axialsymmetrischen Vorrichtung (12) mit mehreren Backen (13), deren Mantelfläche eine Mikrotopografie aufweist, in Form einer Mikrokavernengeometrie in die Oberfläche (2) eingeprägt werden, wobei in mindestens einem weiteren Verfahrensschritt ein spanloses Umformen der Mikrokavernengeometrie zur Bildung der Hinterschnitte (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokavernengeometrie im weiteren Verfahrensschritt gestaucht und/oder gespalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Oberfläche (2) eine Außenfläche einer Welle vorkonditioniert wird.