DE102009008650A1 - Bearing surface in e.g. engine connecting rod, includes lubrication micro-pockets in closely-spaced pattern of rows formed by picosecond-pulsed laser beam around bearing surface - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Werkstück mit einer Gleit- oder Führungsfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Verfahren zur Herstellung von Mikroschmiertaschen eines derartigen Werkstücks und eine Bearbeitungseinheit zur Durchführung des Verfahrens.The The invention relates to a workpiece with a sliding or Guide surface according to the preamble of Claim 1, a method for producing micro-lubricating pockets such a workpiece and a processing unit to carry out the process.
Insbesondere bei stark belasteten Gleitlagern ist es erforderlich, stets für eine hinreichende Schmierung durch einen Ölfilm zwischen den aneinander abgleitenden Flächenabschnitten sicherzustellen. Besonders hohe Anforderungen werden dabei an Gleitlager von Verbrennungsmotoren gestellt. Derartige Gleitlager befinden sich beispielsweise im Bereich des Hublagers einer Kurbelwelle oder im Bereich des an einem kleinen Pleuelauge eines Pleuels gelagerten Kolbenbolzens.Especially For heavily loaded plain bearings, it is always necessary for adequate lubrication through an oil film between to ensure the mutually sliding surface sections. Particularly high demands are placed on friction bearings of internal combustion engines posed. Such slide bearings are for example in the field the crank bearing of a crankshaft or in the area of a small Connecting rod eye of a connecting rod mounted piston pin.
Zur
Stabilisierung des Ölfilms auf derartigen Gleit-/Führungsflächen
wird in der
Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist, dass aufgrund der Vielzahl von Verfahrensschritten – Vorbearbeitung, Strukturieren (Ausbildung der Taschen), Entgraten und Feinbearbeitung – ein erheblicher fertigungstechnischer Aufwand erforderlich ist.adversely with this approach is that due to the large number of process steps - pre-processing, Texturing (pocket design), deburring and finishing - a considerable manufacturing effort is required.
In
der
Gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Werkstück mit einer Gleit- oder Führungsfläche mit geringem fertigungstechnischen Aufwand herzustellen und dabei eine hinreichende Schmierung der Gleit-/Führungsflächen zu gewährleisten. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Werkstückes sowie eine Bearbeitungseinheit zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zu schaffen.Across from The above-mentioned prior art is the present Invention, the object of a workpiece with a Sliding or guide surface with low production costs produce and thereby a sufficient lubrication of the sliding / guide surfaces to ensure. The invention is further the Task, a method for producing such Workpiece and a processing unit for implementation of such a procedure.
Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Werkstückes durch die Merkmalskombination
des Patentanspruches
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.other advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Werkstück hat eine Gleit- oder Führungsfläche, in der eine Vielzahl von Mikroschmiertaschen ausgebildet ist. Erfindungsgemäß sind diese Schmiertaschen als Mikrotaschen ausgeführt, die von der Flächennormalen her gesehen, einen – vorzugsweise etwa kreisförmigen, elliptischen oder länglichen – Querschnitt aufweisen, wobei die maximale Erstreckung kleiner als 0,5 mm, vorzugsweise kleiner als 0,1 mm ist. Derart kleine Mikrotaschen erfordern einen vergleichsweise geringen Energieeintrag zur Ausbildung, so dass das Entstehen von Aufwürfen im Bereich der Umfangswandung der einzelnen Mikroschmiertaschen verhindert werden kann. Durch diese gratfreie Ausbildung der Mikrotaschen kann auf die aufwendige Nachbearbeitung durch Entgraten und Fertigbearbeiten (Honen, Polieren, Schleifen) verzichtet werden, so dass der fertigungstechnische Aufwand erheblich geringer als bei den eingangs genannten Lösungen ist.The workpiece according to the invention has a sliding or guide surface, in which a variety of micro-lubrication pockets is trained. According to the invention, these lubrication pockets executed as micro-pockets, by the surface normal seen, one - preferably approximately circular, elliptical or oblong - have cross-section, the maximum extent being less than 0.5 mm, preferably is less than 0.1 mm. Such small micro pockets require one comparatively low energy input for training, so that the emergence of irregularities in the peripheral wall of the individual micro-lubrication pockets can be prevented. Through this burr-free formation of the micro-pockets can on the elaborate post-processing by deburring and finishing (honing, polishing, grinding) be dispensed with, so that the production engineering effort considerably less than in the solutions mentioned above.
Es zeigte sich überraschender Weise, dass die Schmierfilmausbildung bei Verwendung derart kleiner Mikrotaschen den Lösungen mit großvolumigen Taschen nicht unterlegen ist; bei bestimmten Anforderungen sogar ein verbessertes Verschleißverhalten aufweist, da es bei einer großen Hertzschen Pressung im Bereich großflächiger Taschen zu Schürf- oder Abschabeffekten kommen kann. Durch die vergleichsweise kleinen Mikrotaschen wird bei der erfindungsgemäßen Lösung diese Wirkung der Hertzschen Pressung (Flächenpressung) verringert und somit derartige Abschabeffekte minimiert.It showed surprisingly that the lubricating film training when using such small micro-pockets the solutions with large-volume pockets is not inferior; at certain Requirements even improved wear behavior As it is at a large Hertzian pressure in the Area of large-scale pockets for scrapping or shabby effects. Due to the comparatively small Micro-pockets is in the solution according to the invention this effect of the Hertzian pressure (surface pressure) reduces and thus minimize such Abschabeffekte.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Mikrotaschen in etwa kreisförmig ausgebildet, wobei Unregelmäßigkeiten aufgrund der Aufschmelzung des Materials selbstverständlich sind.at In a particularly preferred embodiment, the Micro pockets are approximately circular in shape, with irregularities of course, due to the melting of the material are.
Bei einer Variante der Erfindung erstrecken sich die Mikrotaschen nach innen, in das Werkstück hinein in etwa kegelförmig, wobei die maximale Tiefe weniger als 20 μm, vorzugsweise weniger als 10 μm, jedoch ein Vielfaches der Rauhtiefe der benachbarten Flächenbereiche beträgt.In a variant of the invention extend the micro-pockets inwardly in the workpiece in approximately conical, the maximum depth is less than 20 microns, preferably less than 10 microns, but a multiple of the roughness of the adjacent surface areas.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Mikrotaschen reihenförmig übereinander und nebeneinander liegend oder auf einer Spirale angeordnet sind, so dass die Gleit-/Führungsfläche gleichmäßig mit Mikrotaschen versehen ist.According to the invention it is preferred if the micro-pockets in a row above each other and lying side by side or arranged on a spiral, so that the sliding / guiding surface evenly provided with micro pockets.
Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die aufsummierte Fläche der Mikrotaschen weniger als 20%, vorzugsweise etwa 12% der Gesamtfläche.at an embodiment is the totaled Area of the micro-pockets less than 20%, preferably about 12% of the total area.
Diese Fläche kann beispielsweise eine Innenzylinder-, eine Außenzylinder- oder eine Ringfläche sein. Selbstverständlich sind auch andere Flächengeometrien, wie plane Gleitflächen, etc. in der erfindungsgemäßen Weise ausführbar.These For example, an area may be an inner cylinder, an outer cylinder or a ring surface. Of course are also other surface geometries, such as plane sliding surfaces, etc. executable in the manner according to the invention.
Das erfindungsgemäße Konzept lässt sich besonders vorteilhaft bei Innenzylinder- und Außenzylinderflächen wie bei Pleueln oder Kurbelwellen einsetzen.The inventive concept is particularly advantageous for inner cylinder and outer cylinder surfaces as with connecting rods or crankshafts.
Bei einer Variante der Erfindung sind die Mikrotaschen bei zylindrischen Gleit- oder Führungsflächen in Umfangsrichtung gesehen länglich ausgeführt. Diese längliche Geometrie kann beispielsweise durch überlappendes Nebeneinandersetzen von kreisförmigen oder elliptischen (bei schräger Einkopplung) Querschnitten kommen, die jeweils durch einzelne Laserimpulse hergestellt werden.at In a variant of the invention, the micro-pockets are cylindrical Sliding or guide surfaces in the circumferential direction seen elongated. This elongated For example, geometry can overlap by overlapping of circular or elliptical (oblique Coupling) cross sections come, each by individual laser pulses getting produced.
Zur Herstellung eines derartigen Werkstückes wird vorzugsweise ein Fertigungsverfahren verwendet, bei dem die Laseroptik und Werkstück relativ zueinander bewegbar sind, um das vorbeschriebene Mikrotaschenmuster ausbilden zu können. Das Ansteuern des Lasers erfolgt mit einer Pulsbreite in Pikosekundenbereich und geringer Pulsenergie, z. B. von weniger als 250 μJ.to Production of such a workpiece is preferred a manufacturing process used in which the laser optics and workpiece are movable relative to each other to the above-described micro-pocket pattern to be able to train. The driving of the laser is done with a pulse width in picosecond range and low pulse energy, z. B. less than 250 μJ.
Bei einem Laser mit derart geringem Energieeintrag kann das Entstehen von Aufwürfen im Umfangsbereich der Mikrotaschen zuverlässig vermieden werden.at A laser with such low energy input can emerge from jarring in the peripheral area of the micro-pockets reliably be avoided.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Pulsfrequenz mehr als 100 kHz, vorzugsweise etwa 400 kHz beträgt. Ein derart schneller Laser ermöglicht es, das vorbeschriebene Flächenmuster in kürzester Zeit auszubilden, so dass die Taktzeiten zur Bearbeitung des Werkstückes minimal sind.According to the invention it is preferred if the pulse frequency is more than 100 kHz, preferably about 400 kHz. Such a fast laser allows it, the above-described surface pattern in the shortest possible time Form time so that the cycle times for machining the workpiece are minimal.
Dabei wird es bevorzugt, wenn die Pulsbreite kleiner als 10 ps beträgt.there it is preferred if the pulse width is less than 10 ps.
In
dem Fall, in dem die Gleit- oder Führungsfläche
eine Innenzylinderfläche oder Ringfläche ist, kann
der Laserstrahl schräg eingekoppelt werden. Durch dieses
schräge Einkoppeln ist es nicht erforderlich, die Laseroptik
pinolenartig – wie in der
Zur Minimierung des Energieeintrags wird es bevorzugt, wenn zur Ausbildung einer kreisförmigen Mikrotasche weniger als 10, vorzugsweise etwa 5 Impulsfolgen verwendet werden.to Minimization of energy input is preferred when training a circular micro-pocket less than 10, preferably about 5 pulse sequences are used.
Die Impulsfolgenfrequenz – auch Burstfrequenz genannt – beträgt vorzugsweise weniger als 20 kHz, und ist abhängig von der maximalen Impulsfolgefrequenz des Lasers und der Anzahl der aufeinander folgenden Impulse.The Pulse train frequency - also called burst frequency - is preferably less than 20 kHz, and is dependent on the maximum pulse repetition frequency of the laser and the number of consecutive following impulses.
Die erfindungsgemäße Bearbeitungseinheit zur Durchführung des Verfahrens hat einen so genannten Pikosekundenlaser, dessen Laseroptik mit Bezug zur bearbeitenden Gleit- oder Führungsfläche des Werkstückes ausgerichtet ist. Die Bearbeitungseinrichtung hat des Weiteren eine Einrichtung, um Werkstück und Laseroptik relativ zueinander zu bewegen.The inventive processing unit for implementation of the method has a so-called picosecond laser whose Laser optics with reference to the machining sliding or guiding surface of the Workpiece is aligned. The processing device also has a facility for workpiece and laser optics to move relative to each other.
Die Laseroptik kann mit einer Strahlablenkeinrichtung (Scanner) ausgeführt sein, so dass durch Ansteuerung dieser Strahlablenkeinrichtung der über die Laseroptik auf das Werkstück gerichtete Laser während der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laseroptik in einer vorbestimmten Relativposition gehalten werden kann. So ist es beispielsweise möglich, bei einem rotierenden Werkstück den Laserstrahl durch geeignete Ansteuerung der Strahlablenkeinrichtung voreilend, d. h. schneller als die Werkstückdrehbewegung, nacheilend, d. h. langsamer als die Werkstückdrehbewegung, oder stillstehend mit Bezug zu einem Flächensegment gehalten werden. Bei der letzt genannten Alternative kann beispielsweise mit mehreren Impulsfolgen ein Loch gebohrt werden. Bei Innen- oder Außenzylinderflächen ist zu beachten, dass das Flächensegment, innerhalb dessen der Laserstrahl gehalten wird, gewölbt ist, so dass der Laserspot während der Relativbewegung im Flächensegment nachfokussiert werden muss.The Laser optics can be performed with a beam deflector (scanner) be so that by controlling this beam deflection of the on the Laser optics on the workpiece directed laser during the relative movement between workpiece and laser optics in a predetermined relative position can be maintained. So is For example, it is possible with a rotating workpiece the laser beam by suitable control of the beam deflecting device leading, d. H. faster than the workpiece rotation, lagging, d. H. slower than the workpiece rotation, or stopped with respect to a surface segment become. For example, in the latter alternative to drill a hole with several pulse trains. For indoor or Outer cylinder surfaces is to be noted that the Surface segment within which the laser beam is held is curved, so that the laser spot during the relative movement in the surface segment to be refocused got to.
Eine derartige Steuereinheit für eine Strahlablenkeinrichtung ist beispielsweise bei den heute üblichen Beschriftungslasern mit Autofokussierung bekannt. Dabei kann durch eine Scriptprogrammierung eine eventuelle schräge Einkopplung des Laserstrahls entzerrt werden.A Such control unit for a beam deflecting device This is the case, for example, with today's marking lasers known with autofocusing. It can be done by scripting a possible oblique coupling of the laser beam equalizes become.
Die Laseroptik ist vorzugsweise so ausgeführt, dass der Fokussierpunkt verstellbar ist, um eine einfache Anpassung an unterschiedliche Werkstückgeometrien oder die vorbeschriebene Fokussierung während der Relativbewegung des Laserstrahls im Flächensegment des Werkstückes zu ermöglichen.The Laser optics is preferably designed so that the focusing point is adjustable to easily adapt to different Workpiece geometries or the above-described focusing during the relative movement of the laser beam in the surface segment allow the workpiece.
Bei einer Variante erfolgt die Relativbewegung dadurch, dass die Laseroptik um eine Drehachse mit Bezug zur Gleit- oder Führungsfläche bewegbar ist. Bei einer derartigen Lösung mit drehender Laseroptik ist eine Nachfokussierung des Laserstrahls bei der Bearbeitung von Innenzylinderflächen nicht erforderlich, solange die Laseroptik koaxial zur Innenzylinderfläche angeordnet ist.at In one variant, the relative movement takes place in that the laser optics about an axis of rotation with respect to the sliding or guide surface is movable. In such a solution with rotating Laser optics is a refocusing of the laser beam during processing of internal cylinder surfaces not required, as long as the Laser optics is arranged coaxially to the inner cylinder surface.
Bei einer alternativen Lösung ist das Werkstück relativ zur stillstehenden Laseroptik bewegbar geführt. Bei der Bearbeitung von Zylinderflächen kann bei dieser Lösung der Axialvorschub durch Verstellung des Werkstücks oder der Laseroptik erfolgen. Falls diese mit einer Strahlablenkeinrichtung versehen ist, erfolgt der Axialvorschub – wie oben ausgeführt – vorzugsweise über die Strahlablenkeinrichtung, wobei dann wiederum eine Nachfokussierung erforderlich ist.at an alternative solution, the workpiece is relative guided to stationary laser optics movable. In the Machining of cylindrical surfaces can be at this solution the axial feed by adjusting the workpiece or the laser optics take place. If provided with a beam deflector is the axial feed - as stated above - preferably over the beam deflector, which then again refocusing is required.
Bei Innenzylinderflächen ist es dabei bevorzugt, wenn das Werkstück um die Zylinderachse drehbar gelagert und in Richtung der Drehachse verstellbar ausgeführt ist, so dass die Mikrotaschen auf einer spiralförmigen Bahn liegen.at Inner cylinder surfaces, it is preferred if the workpiece rotatably mounted about the cylinder axis and in the direction of the axis of rotation is designed to be adjustable, so that the micro-pockets on one spiral track lie.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:preferred Embodiments of the invention are described below explained in more detail with reference to schematic drawings. Show it:
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Bearbeitung eines Pleuels
eines Verbrennungsmotors erläutert – wie eingangs
beschrieben, ist die Erfindung jedoch keinesfalls auf die Verwendung
bei Pleueln beschränkt, sondern allgemein bei allen tribologisch
beanspruchten Flächen einsetzbar. Der Aufbau derartiger
Pleuels
Das
große Pleuelauge
Die
in den
Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel wird jede Tasche
Wie
insbesondere aus
Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt
die Gesamtfläche der Mikrotaschen
Bei
dem in
Über
eine in
Durch
den Vorschub in Vertikalrichtung (Y in
Anstelle
der vorbeschriebenen hängenden Anordnung des Pleuels
Die
Be- und Entladung der Pleueln
Beiden
Bearbeitungsstationen
Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Einkoppelwinkel
des Laserstrahls in das kleine Pleuelauge
Bei
den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das
Werkstück, d. h. im vorliegenden Fall das Pleuel
Anstelle
der anhand
Offenbart ist ein Werkstück mit einer Gleit- oder Führungsfläche, die zur Verbesserung der Schmierung mit einer Vielzahl von Mikrotaschen ausgeführt ist. Diese Mikrotaschen werden mittels einer Bearbeitungseinheit ausgebildet, bei der ein Pikosekundenlaser mit geringem Energieeintrag zum Einsatz kommt. Die Geometrie der Mikrotaschen kann durch mehrere Impulsfolgen geändert werden, wobei diese Impulsfolgen in bezug auf das zu bearbeitende Werkstück versetzt auftreffen.Disclosed is a workpiece with a sliding or guiding surface, which improve lubrication with a variety of micro-pockets is executed. These micro-pockets are made by means of a processing unit formed in which a picosecond laser with low energy input is used. The geometry of the micro-pockets can be increased by several Pulse trains are changed, these pulse trains staggered with respect to the workpiece to be machined.
- 11
- Pleuelpleuel
- 22
- großes Pleuelaugegreat connecting rod
- 44
- kleines Pleuelaugesmall connecting rod
- 66
- Pleuelstangeconnecting rod
- 88th
- Umfangsflächeperipheral surface
- 1010
- Mikrotaschemicro pocket
- 1212
- Taschebag
- 1414
- Bearbeitungseinheitprocessing unit
- 1616
- Maschinenständermachine stand
- 1818
- Vertikalführungvertical guide
- 2020
- SpindeleinheitSpindles
- 2222
- Spindelmotorspindle motor
- 2424
- Getriebetransmission
- 2626
- Spanneinheitclamping unit
- 2828
- Spindelachsespindle axis
- 3030
- Lasereinheitlaser unit
- 3232
- WerkstückwechslerWorkpiece changer
- 3434
- Zu-, AbführbandTo-, Discharge Conveyor
- 3636
- Bearbeitungsstationprocessing station
- 3838
- Bearbeitungsstationprocessing station
- 4040
- Laserstrahllaser beam
- 4242
- Strahlweichebeam switch
- 4444
- Umlenkspiegeldeflecting
- 4646
- Laseroptiklaser optics
- 4848
- Laseroptiklaser optics
- 5050
- Hohlwellehollow shaft
- 5252
- Wälzlageranordnungroller bearing assembly
- 5454
- Absaugrohrsuction tube
- 5656
- Lageranordnungbearing arrangement
- 5858
- OptikspindelkopfOptics spindle head
- 6060
- Gehäusecasing
- 6262
- Drehachseaxis of rotation
- 6464
- Strahlführungbeamline
- 6565
- Umlenkspiegeldeflecting
- 6666
- Off-Axis-SpiegelOff-axis mirror
- 6868
- weiterer UmlenkspiegelAnother deflecting
- 7070
- Austrittsöffnungoutlet opening
- 7272
- StrahlführungskomponenteBeam guidance component
- 7474
- Führungguide
- 7676
- Stellschraubescrew
- 8080
- Ausgleichsgewichtcounterweight
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - EP 1275864 B1 [0003, 0005] - EP 1275864 B1 [0003, 0005]
- - DE 102004041847 A1 [0005, 0022, 0044] DE 102004041847 A1 [0005, 0022, 0044]
- - EP 1464436 [0060] - EP 1464436 [0060]
- - DE 102004041847 [0060] - DE 102004041847 [0060]
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DE102009007968.8 | 2009-02-06 | ||
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