-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Bearbeitungswerkzeug zum
Bearbeiten einer Oberfläche nach dem Oberbegriff von Patentanspruch
11.
-
Die
DE 10 2007 018 653
A1 offenbart ein Verfahren zum Bearbeiten einer Zylinderlaufbahn
einer Brennkraftmaschine mit einem Honschritt zur Oberflächenbearbeitung
und mit einem nachfolgenden Belichtungsschritt, bei welchem die
Zylinderlaufbahn laserbelichtet wird, wobei in einem zusätzlichen Prüfschritt
Honparameter erfasst werden und daraus eine Honqualität
bestimmt wird.
-
Die
DE 196 27 926 A1 offenbart
ein Verfahren zur Bearbeitung von aus Leichtmetalllegierungen hergestellten
Zylinderlaufflächen mit eingelagerten körnigen
oder fasrigen Hartstoffphasen, wobei zum Freilegen der Hartstoffphasen
durch Zurücksetzen der Leichtmetallmatrix die Zylinderlauffläche
gehont wird und das hierfür ein Honwerkzeug verwendet wird,
dessen Schneidstoff in einer nachgiebigen Matrix eingelagert ist,
dass die Schneidstoffpartikel zwischen die Hartstoffphasen gedrückt
werden und dabei eine Freilegung sowie eine Verrundung der Hartstoffphasen
bewirken können.
-
Aus
der
US 2007 01
35 023 A1 ist ein mechanisches System zum Läppen
einer metallischen Oberfläche bekannt, welches ein Läppwerkzeug
umfasst, dessen Kontaktoberfläche aus einem Polymer gebildet
ist und welches abrasive Partikel umfasst, welche zwischen der Kontaktoberfläche
des Läppwerkzeug und der metallischen Oberfläche
vorgesehen sind.
-
Die
bekannten Lösungen weisen alle samt den Nachteil auf, dass
eine Verrundung von Poren, insbesondere von Rändern der
Poren, der zu bearbeitenden Oberfläche nur unzureichend
realisierbar ist. Bekannter Maßen weisen Oberflächen,
insbesondere Zylinderlaufflächen, welche beispielsweise
aus Gusseisen oder durch eine thermische Spritzbeschichtung gebildet
sind, eine Struktur aus stochastisch verteilten, feinen Poren auf,
welche sich im Falle eines Notlaufs, bei Schmierölmangel
oder bei extremer Belastung tribologisch günstig auswirken,
da sie eine Art Trockenschmierungs-Reserve in Form eines Not-Reservoirs
für Schmieröl darstellen. Sie verhindern auf diese
Art und Weise einen Anstieg einer Reibleistung einer Verbrennungskraftmaschine
mit einer derartigen Oberfläche in Form einer Zylinderlauffläche
oder gar ein Fressen eines Kolbens der Verbrennungskraftmaschine.
-
Bei
bekannten Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche wird
die Oberfläche, insbesondere eine Zylinderlauffläche,
mit einem komplexen Muster von durch Verfahrensparameter vorgegebenen
Honriefen definierter Tiefe und Anordnung versehen, in denen das
Schmieröl zurückgehalten werden kann. Auf Grund
von hohen Kräften dieser Verfahren wird eine erhebliche
Energie umgesetzt, wodurch die Poren durch plastische Verformung
der die Poren umgebenden Ränder in Richtung einer Werkzeugbewegung
quasi zugeschmiert werden, wodurch ein unerwünschter, so
genannter Blechmantel entsteht, welcher die Poren und teilweise
die Honriefen zudeckt. Durch einen in einem Betrieb entstehenden
Verschleiß wird von einer Dicke dieser Blechmäntel
immer mehr abgetragen, bis sich verbleibende kleine Blechlamellen
aus kompaktem Metallsubstrat lösen und in einen Schmierölkreislauf
beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine mit einer genannten
Zylinderlauffläche gelangen, wo sie erhebliche Schäden
an Bauteilen anrichten können.
-
Auch
bei dem aus der
US
2007 0 135 023 A1 bekannten Verfahren ist die Verrundung
der Poren nicht konzentrisch zu diesen bzw. deren Mitten sondern
weist eine Vorzugsrichtung gemäß einer Relativbewegung
des eingesetzten Werkzeugs zu der zu bearbeitenden Oberfläche
auf. Diese nicht konzentrische Verrundung der Poren wirkt sich negativ
auf ein Reibungs- und Verschleißverhalten eines tribologischen
Systems beispielsweise aus einer Zylinderlauffläche und
einem Kolbenring bzw. Kolben aus.
-
Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Bearbeiten einer Oberfläche sowie ein Bearbeitungswerkzeug
zum Bearbeiten einer Oberfläche bereit zu stellen, welche
eine Realisierung verbesserter tribologischer Eigenschaften der
Oberfläche erlauben.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren zum
Bearbeiten einer Oberfläche mit den Merkmalen des Patentanspruchs
6, sowie durch ein Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten einer Oberfläche
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
-
Ein
solches Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines
Bauteils, insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Verbrennungsmaschine,
bei welchem ein Werkzeug, insbesondere ein Läpphonwerkzeug,
beim Bearbeiten der Oberfläche um eine zur Oberfläche
im Wesentlichen parallel verlaufende Rotationsachse des Werkzeugs
rotatorisch und im Wesentlichen parallel zur Oberfläche
translatorisch bewegt wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus,
dass das Werkzeug in sämtlichen, senkrecht zu einer Normalen
der Oberfläche verlaufenden Richtungen in zumindest im
Wesentlichen gleich langen Oberflächenbearbeitungswegen
bewegt wird.
-
Im
Gegensatz zu Bearbeitungsverfahren mit definierter Schneide oder
gebundenem Korn, also Schleifmittel, wie beispielsweise Drehen,
Schleifen, Honen, Fräsen oder dergleichen, bei welchen
stets scharfkantige Ränder von Poren der bearbeiteten Oberfläche
zurückbleiben, ist es durch das erfindungsgemäße
Verfahren zum einen möglich, die Ränder der Poren
selektiv und sehr sanft zu verrunden, was in einer selektiven Entfernung
und Reduzierung von eingangs beschriebenen Blechmäntel
und deren Anteil an der gesamte Oberfläche ergibt.
-
Zum
anderen ermöglicht das erfindungsgemäße
Verfahren eine Verrundung der Ränder der Poren konzentrisch
zu einer Porenmitte, was eine weitere Verbesserung von tribologischen
Eigenschaften der bearbeiteten Oberfläche mit sich bringt.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren bearbeitete
Oberfläche weist somit nicht nur Poren auf, welche nicht durch
Blechmäntel zugeschmiert sind und somit weiterhin als Reservoir
für Schmieröl fungieren können, sondern
die Ränder der Poren sind ebenso konzentrisch zur Porenmitte
verrundet zur Reduzierung einer Oberflächenrauhigkeit und
zur weiteren Verbesserung von Reibungs- und Verschleißeigenschaften
der Oberfläche.
-
Die
Verbesserung der tribologischen Eigenschaften der bearbeiteten Oberfläche,
kommen insbesondere in Zusammenhang mit einer Zylinderlaufbahn,
welche auch als Zylinderlauffläche zu bezeichnen ist, einer
Verbrennungskraftmaschine zum Tragen, da in diesem Falle eine Reibleistung
der Verbrennungskraftmaschine und damit ein Kraftstoffverbrauch
sowie CO2-Emmisionen derselbigen deutlich reduzierbar
sind bei gleichzeitiger Beibehaltung von Notlaufeigenschaften im
Falle eines Schmiermittelmangels. Ein derartiges Schmiermittel kann
dabei in Form von Schmieröl vorliegen.
-
Zur
Realisierung dieser vorteilhaften tribologischen Eigenschaften wird
also das Werkzeug über alle Winkel zumindest im Wesentlichen
gleichmäßig lange linear bewegt, wobei bei einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen
ist, dass das Werkzeug kontinuierlich rotatorisch bewegt wird. Dies
erlaubt ein definitionsgemäßes Abrollen eines abrasiven
Bearbeitungsmittels, insbesondere eines Hartstoff-Abrasiv-Korngemenges,
welches zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche und dem
Werkzeug vorgesehen wird. Durch das Vorsehen dieses abrasiven Bearbeitungsmittels,
welches also an Stelle eines gebundenen Korns oder einer definierten Schneide
eine abrasive Arbeit leistet, ist eine besonderes sanfte Verrundung
der Ränder der Poren ermöglicht, da sich das Bearbeitungsmittel
zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche abwälzen
kann. Als abrasives Bearbeitungsmittel ist beispielsweise Al2O3 oder SiC oder
dergleichen einsetzbar.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird
ein Werkzeug mit zumindest einem Oberflächenbearbeitungsteil,
insbesondere einem Läppwerkzeugteil eingesetzt, welches
im Wesentlichen aus einem Polymer gebildet ist. Dies erlaubt eine
Realisierung besonders günstiger tribologischer Eigenschaften
der bearbeiteten Oberfläche, da weit weniger Riefen erzeugt
werden als bei üblichen Freikorn-Schleifverfahren.
-
Die
im Wesentlichen gleichmäßig lange lineare Bewegung über
alle Winkel des Werkzeugs, beispielsweise über einen Winkel
von 45°, wobei übliche Honwinkel zwischen 15° und
30° zu einer Kolbenrichtung liegen, ist dadurch zu realisieren,
dass eine Geschwindigkeit einer oszillierenden, insbesondere der translatorischen
Bewegung des Werkzeugs identisch ist mit der rotatorischen. Dadurch,
dass die rotatorische Bewegung beispielsweise eine kontinuierliche Bewegung
ist und die translatorische Bewegung eine translatorisch alternierende
und damit eine reversierende Bewegung ist, werden weite Winkel um
45° erfindungsgemäß bearbeitet.
-
Durch
die kontinuierliche rotatorische Bewegung ist eine mitunter mehrmaliger Änderung
einer Drehrichtung des Werkzeugs während des Verfahrens,
welches als Läppverfahren bzw. Läpphonverfahren
bezeichnet werden kann, vermieden, was eine sehr günstige
Bearbeitung eines tangential hinter dem durch die rotatorische Bewegung
des Werkzeugs vorwärts geschobenen und dabei frontal zur rotatorischen
Bewegung abtragend und Kanten bzw. Ränder vierrundend wirkenden
Bearbeitungsmittel, welches auch als Läppkorn bezeichnet
werden kann, liegenden Einwirkungsbereichs und damit eine ebenso
intensive Verrundung der Ränder der Poren in besonders
günstiger Art und Weise ermöglicht, was mit einer
Realisierung von besonders guten tribologischen Eigenschaften der
Oberfläche einher geht.
-
An
dieser Stelle sei angemerkt, dass prinzipiell eine rotatorisch oszillierende
Bewegung mit Richtungsumkehr des Werkzeugs auch möglich
ist. Das Verfahren kann dabei als Läpphonverfahren bezeichnet
werden, da es auf einer bekannten Bewegung einer translatorischen
und einer rotatorischen Bewegung, insbesondere einer Honbewegung,
des Werkzeugs basiert, wobei das Werkzeug idealer Weise eine kontinuierliche
rotatorische Bewegung vollführt zur Erreichung der in diesem
Zusammenhang beschriebenen Vorteile.
-
Zur
optimalen Verrundung der Poren bzw. deren Ränder in allen
Richtungen ist zudem eine Variation eines Verhältnisses
aus Drehzahl und Hubfrequenz sowie einer Rotationsrichtung des Werkzeugs möglich.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren ist in Zusammenhang
einer jedweden Oberfläche zur Verbesserung ihrer tribologischen
Eigenschaften einsetzbar. So können beispielsweise Gussteile
wie Gusseisen-Büchsen von Zylinderkurbelgehäusen, sowie
auch andere metallische Bauteile als auch thermische Spritzbeschichtungen,
insbesondere von Zylinderlaufflächen, bearbeitet werden.
Bei einer solchen thermischen Spritzbeschichtung handelt es sich beispielsweise
um eine mittels eines Lichtbogendrahtspritzverfahrens ausgebildete
Beschichtung, also eine so genannte LDS-Oberfläche. Aber
auch anderweitige Oberflächen, welche auf Grund ihrer Entstehungsgeschichte
eine mikro- bis makroskopische Oberflächenstruktur und
Oberflächentopographie aufweisen, wie beispielsweise eine
Zylinderlauffläche eines Kurbelgehäuses, welches
aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetall-Legierung gebildet
ist, können ebenso bearbeitet werden wie Oberflächen
mit einer galvanischen Beschichtung, mit einer PVD-Beschichtung
(Physical-Vapour-Deposition), mit einer CVD-Beschichtung (Chemical-Vapour-Deposition)
oder mit einer ähnlichen Beschichtung.
-
Im
Falle einer Zylinderlauffläche kann dabei vorgesehen sein,
dass beispielsweise ein die Zylinderlauffläche bildendes
Zylinderkurbelgehäuse bzw. eine Beschichtung des Zylinderkurbelgehäuses
bzw. die Zylinderlauffläche direkt bearbeitet wird oder aber,
dass eine Büchse bearbeitet wird, die in ein Zylinderkurbelgehäuse
einsetzbar ist. Derartige Büchsen können dabei
aus einem Pulver- oder schmelzmetallurgischen Werkstoff, beispielsweise
auf Basis von Aluminium-Legierungen, gebildet sein.
-
Darüber
hinaus ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren
möglich, eine Oberfläche, welche eine eindeutige
geometrische Vorzugsrichtung aufweist, zu bearbeiten, wodurch die
eindeutige geometrische Vorzugsrichtung entfernt wird und die oben beschriebene
konzentrische Verrundung der Ränder der Poren sowie die
Realisierung der vorteilhaften tribologischen Eigenschaften erreicht
werden.
-
Neben
der Entfernung der eindeutigen geometrischen Vorzugsrichtung ist
auch eine Entfernung von die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche negativ
beeinflussenden Blechmänteln möglich sowie eine
Entfernung ebenfalls ungewünschter Deckelgrate an beispielsweise
mit diskretem Graphit gefüllten oder anderweitigen Poren
beispielsweise bei Wellen-Oberflächen, welche aus Stahl
oder aus einem Eisen-Werkstoff gebildet sind.
-
Nichts
desto weniger sind auch Oberflächen solcher Bauteile mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitbar, welche
ein heterogenes oder ein monolithisches Gefüge aus einem
Aluminium-Mischkristall mit eingebetteten Silizium-Partikeln, intermetallischen
Phasen wie Al2Cu, Mg2Si
oder dergleichen sowie Oxiden aufweisen.
-
Die
Erfindung betrifft zudem ein Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten
einer Oberfläche eines Bauteils, insbesondere einer Zylinderfläche
einer Verbrennungskraftmaschine, mit zumindest einem zur Bearbeitung
der Oberfläche bereitgestellten Oberflächenbearbeitungsteil,
insbesondere einem Läppwerkzeugteil, wobei das Bearbeitungswerkzeug ein
erstes, zumindest mit einem Oberflächenbearbeitungsteil
korrespondierendes Werkzeugteil umfasst, welches über eine
erste Welle rotatorisch antreibbar ist, und wobei das Bearbeitungswerkzeug
wenigstens ein weiteres, mit zumindest einem weiteren Oberflächenbearbeitungsteil
korrespondierendes Werkzeugteil umfasst, welches vom ersten Werkzeugteil über
eine Anlenkeinrichtung zur Richtung des ersten Werkzeugs gegenläufig
rotatorisch antreibbar ist. Durch das erfindungsgemäße
Bearbeitungswerkzeug ist das erfindungsgemäße
Verfahren durchführbar, wodurch alle in diesem Zusammenhang
beschriebenen Vorteile realisierbar sind.
-
Die
gegenläufige, kontinuierliche rotatorische Bewegbarkeit
des Bearbeitungswerkzeugs erlaubt dabei die beschriebene Verrundung
der Ränder der Poren auf sanfte Art und Weise ohne, dass
eine Änderung einer Drehrichtung des Bearbeitungswerkzeugs während
des Verfahrens nötig ist, was ein definitionsgemäßes
Abrollen des Bearbeitungsmittels und damit eine konzentrische Verrundung
der Ränder der Poren erlaubt zur Herbeiführung
der besonders vorteilhaften und bereits beschriebenen tribologischen
Eigenschaften der Oberfläche.
-
Das
Bearbeitungswerkzeug, welches auch als Honwerkzeug oder als Läpphonwerkzeug
zu bezeichnen ist, erlaubt es also, zumindest eine sich relativ
zur zu bearbeitenden Oberfläche bewegende abrasive Wirkfläche
des zumindest einen Oberflächenbearbeitungsteils in allen
in einer Wirkebene liegenden polaren Koordinaten mit einem im Wesentlichen
gleichen Verschleiß-Weglängen-Verhältnis
zu bewegen.
-
Vorteilhafter
Weise ist das zumindest eine Oberflächenbearbeitungsteil
im Wesentlich aus einem Polymer gebildet, was eine besonders sanfte Verrundung
der Ränder der Poren sowie eine konzentrische Verrundung
und damit eine Vermeidung einer Zuschmierung der Poren durch Blechmäntel
erlaubt.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind dabei als vorteilhafte Ausgestaltungen
des Bearbeitungswerkzeugs und umgekehrt anzusehen.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Bearbeitungswerkzeug ist
zur sanften Verrundung der Ränder der Poren lediglich eine
geringe Andruck-Kraft bzw. ein geringer Andruck-Druck im Bereich
von 1 bar bis 5 bar von Nöten.
-
Eine
durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße
Bearbeitungswerkzeug abgearbeitete Materialtiefe beträgt
idealer Weise mindestens 0,1 bis maximal 5 Mikrometer.
-
Zusammenfassend
lässt sich sagen, dass durch das erfindungsgemäße
Verfahren und durch das erfindungsgemäße Bearbeitungswerkzeug
ein Bearbeitungsverfahren zur finalen Bearbeitung einer Oberfläche
in Form eines Freikorn- bzw. Läpphonverfahren geschaffen
ist, bei dem idealer Weise ein Oberflächenbearbeitungsteil
eingesetzt wird, welches im Wesentlichen aus einem Polymer gebildet ist,
wobei eine abrasive Wirkung vorteilhafter Weise aus einem zwischen
der Oberfläche und dem Werkzeug eingebrachten Hartstoff-Abrasivkorn-Gemenge definierter
Partikelgröße und Materialbeschaffenheit erreicht
ist. Die beschriebenen, besonders guten tribologischen Eigenschaften
der Oberfläche sind derart realisierbar, dass das Verfahren
sowie das Bearbeitungswerkzeug keine Vorzugsrichtung der Verrundung
der Poren bzw. der Ränder, deren Kanten und Inhomogenitäten
der zu bearbeiteten Oberfläche zulässt. Stattdessen
werden die tribologisch erwünschten mikro- bis makroskopische
Poren in idealer Weise an allen ihren Rändern, welche bei
herkömmlichen Hon-, Schleif-, Läpp- oder allgemein
spanenden Bearbeitungsverfahren grundsätzlich und systembedingt
scharfkantig ausfallen und daher speziell für Mikrohydrodynamik
nachteilig sind, gleichmäßig und polydirektional
in einer aus tribologischer Sicht idealen Art und Weise, insbesondere
konzentrisch, verrundet.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend
in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine
gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.
-
Die
Zeichnungen zeigen in:
-
1 eine
Längsschnittansicht sowie abschnittsweise eine Querschnittsansicht
eines Bearbeitungswerkzeugs zum Bearbeiten einer Oberfläche eines
Bauteils,
-
2 eine
Gegenüberstellung zweier topographischer Auswertungen einer
Oberfläche eines Bauteils, einerseits in einem Ausgangszustand,
andererseits nach einer Bearbeitung der Oberfläche und
-
3 vier
Verläufe einer Reibleistungsdifferenz einer Kolbengruppe
einer Verbrennungskraftmaschine über einer Drehzahl der
Verbrennungskraftmaschine, wobei jedem Verlauf eine alternative Motoröl-Betriebstempeatur
der Kolbengruppe zugeordnet ist.
-
Während
die 1 ein Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten eines
Bauteils zeigt, mittels welchem besonders günstige tribologische
Eigenschaften der Oberfläche realisierbar sind, zeigen
die 2 und 3 Ergebnisse einer Bearbeitung
einer derartigen Oberfläche, wobei die Oberfläche
durch ein Verfahren bearbeitet ist, welches eine konzentrische Verrundung
von Rändern von Poren der Oberfläche erlaubt und
bei welchem ein Bearbeitungswerkzeug gemäß 1 einsetzbar
ist.
-
Die 1 zeigt
ein Bearbeitungswerkzeug 10 zum Bearbeiten einer Oberfläche
eines Bauteils, insbesondere einer Zylinderlauffläche einer
Verbrennungskraftmaschine, wobei das Bearbeitungswerkzeug 10 ein
erstes Werkzeugteil 12 und ein zweites Werkzeugteil 14 umfasst.
Das erste Werkzeugteil 12 und das zweite Werkzeugteil 14 drehen
sich unter Vermittlung eines in einem Inneren des Bearbeitungswerkzeugs 10 angebrachten
Differential-Getriebes 16, welches Kegelräder 18, 20 und 22 umfasst. Die
Kegelräder 18, 20 und 22 sind
dabei entsprechend während eines Einsatzes des Bearbeitungswerkzeugs 10 im
Rahmen eines Verfahrens zum Bearbeiten der Oberfläche auftretender
Kräfte ausgelegt. Die Drehung der Werkzeugteile 12 und 14 erfolgt
dabei eigenständig entsprechend ihrer zwangsweißen
Kinematik mit identischer Umfangsgeschwindigkeit, aber gegensinnig
zueinander und mit dadurch jeweils identischer Relativgeschwindigkeit
zur zu bearbeitenden Oberfläche bzw. Zylinderlauffläche beispielsweise
in Form einer Bohrung eines Kurbelgehäuses.
-
Zum
Antreiben des Bearbeitungswerkzeugs 10 ist eine innere
Welle 24 vorgesehen, welche von einer entsprechenden Bearbeitungsmaschine
mit einer entsprechenden Drehzahlleistung antreibbar ist und welche
wiederum das zweite Werkzeugteil 14 über eine
form- oder kraftschlüssige Verbindung antreibt. Zur gegensinnigen
Bewegungen des ersten Werkzeugteils 12 gegenüber
dem angetriebenen, zweiten Werkzeugteil 14 ist eine äußere
Welle 26 durch eine entsprechende Vorrichtung, beispielsweise
der Bearbeitungsmaschine, an einem Mitdrehen zu hindern, wodurch
sie sich nicht relativ zur zu bearbeitenden Oberfläche
drehen kann oder möglicherweise nur unter gewissen, für
das Verfahren günstige Umständen mit einer geringen
Geschwindigkeit gegenüber der zu bearbeitenden Oberfläche
des Bauteils. Die äußere Welle 26 trägt
dabei auf einem rechtwinklig zu ihrer axialen Erstreckungsrichtung angeordneten
Zapfen 28 das Kegelrad 20.
-
An
dieser Stelle sei angemerkt, dass auf Grund einer Symmetrie des
Bearbeitungswerkzeugs 10 bzgl. einer Achse 30 lediglich
eine linke Seite in der 1 beschrieben ist. Für
die rechte Seite gilt das zu der linken Seite Gesagte analog.
-
Da
das Kegelrad 22 des Differential-Getriebes 16 starr
mit dem von der Welle 24 angetriebenen Werkzeugteil 14 verbunden
ist, treibt das auf dem Zapfen 28 der stationären
Welle 26 drehbar gelagerte Kegelrad 20 das starr
mit dem Werkzeugteil 12 verbundene Kegelrad 18 an,
und somit das Werkzeugteil 12 in einem gegenläufigen
Drehsinn zum Werkzeugteil 14, aber mit einer gleichen relativ
zur statischen Welle 26 Rotationsgeschwindigkeit.
-
Eine
derartig funktionierende Kinematik ist auch durch eine jeweils andere
Anordnung der koaxialen Wellen 24 und 26 und der
treibenden bzw. getriebenen Kegelräder 18, 20 und 22 des
Differential-Getriebes 16 realisierbar.
-
Das
Bearbeitungswerkzeug 10 ist dabei so konzipiert, dass es
in herkömmliche vertikal- oder horizontal- Bohrmaschinen
oder gar Ständerbohrmaschinen oder dergleichen einbaubar
bzw. mit diesen koppelbar ist. Den Werkzeugteilen 12 und 14 sind
jeweils Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34 zugeordnet,
die über Grundplatten 36 bzw. 38 mit
dem jeweiligen Werkzeugteil 12 bzw. 14 verbunden
sind.
-
Eine
radiale Anpresskraft der Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34 gegenüber
der zu bearbeitenden Oberfläche bedarf anders als bei bekannten
Werkzeugen keiner hydraulischen oder mechanischen Unterstützung,
sondern ist durch entsprechend ausgelegte Federelemente in Form
von Tellerfeder-Stapeln 40, 42, 44 und 46 realisiert,
wodurch eine hohe Homogenität von auf die zu bearbeitende Oberfläche
ausgeübter Kräfte ermöglicht ist.
-
Eine
Lagerung der Werkzeugteile 12 und 14 ist durch
gegenüber einem zwischen dem Bearbeitungsteil 10 und
der zu bearbeitenden Oberfläche eingebrachten Bearbeitungsmittel
in Form von einem Abrasivmediums und peripherer Flüssigkeiten
oder Verschmutzung gekapselte Wälzlager 47 und 48 dargestellt.
Deren Ausgestaltung hat dergestalt zu erfolgen, dass sie zu erwartenden
Kräften und Anforderungen zu widerstehen im Stande sind.
-
Auf
einem Umfang der Werkzeugteile 12 und 14 sind
dabei idealer Weise von 3 bis 9 der eigentlichen und gemeinsam mit
dem Bearbeitungsmittel eine Abrasivarbeit leistenden Oberflächenbearbeitungsteile 32 bzw. 34 angeordnet,
deren äußere Geometrie der zu bearbeitenden Oberfläche
bzw. der zu bearbeitenden Bohrung angepasst ist. Wie bereits angedeutet,
sind die Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34 mit
den Grundplatten 36 bzw. 38 durch Kleben, Klemmen
oder anderweitig verbunden.
-
Zudem
sind zylindrische Passstifte 50, 52, 54 und 56 vorgesehen,
die mit der entsprechenden Grundplatte 36 bzw. 38 verbunden
sind und die sich in entsprechenden radialen Bohrungen der Werkzeugteile 12 bzw. 14 in
radialer Richtung der Werkzeugteile 12 bzw. 14 bewegen
können. Dies erlaubt quasi eine automatische Einstellung
und Ausrichtung der Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34 in
Zusammenhang mit einer Federkraft der Tellerfeder-Stapel 40, 42, 44 und 46 und
des zwischen dem Bearbeitungswerkzeug 10 und der Oberfläche
eingebrachten Bearbeitungsmittels sowie eine eingeschränkte
axiale Beweglichkeit als auch eine Mitnahme der Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34 zur Erzeugung
einer jeweils rotierenden Bewegung gegenüber der zu bearbeitenden
Oberfläche.
-
Ein
weiteres Kriterium für einen Abtrag der Oberfläche,
welches mit einem freien Korn bearbeitet wird, ist eine Menge von
unmittelbar im Eingriff befindlicher Abrasivkörner des
Bearbeitungsmittels, die sich in Bearbeitungsrichtung bewegen. Bei
herkömmlichen, mit Keramik- oder Kunststoff gebundenen
Honleisten arbeitenden Honwerkzeugen haben die 3 bis 6 an einem
Werkzeugumfang verteilten Schleifmittel eine tangentiale Tiefe von
typischerweise um die 10 mm bei einer Leistenlängen in
axialer Richtung von 80 mm bis 150 mm, abhängig von einer Geometrie
von zu bearbeitenden Zylinderlaufflächen bzw. Bohrungen.
Das bedeutet, dass in Umfangsrichtung 8 bis 15 mal mehr Abrasivkörner
wirken, als in axialer Richtung, auch wenn Werkzeugwege in beiden
Richtungen identisch wären, mit entsprechenden Auswirkungen
auf eine Ausprägung eines Honspuren-Netzwerks. Dies erfordert,
dass auch Flächen- bzw. Längenverhältnisse
von auf die Abrasivkörner wirkenden Werkzeug-Segmente,
wie eben die Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34,
in etwa gleich sind.
-
Da
die Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34 im
Wesentlichen aus einem Polymer gebildet sind, ist ein radialer Druck
wesentlich geringer als bei einem klassischen Honprozess, was eine
Vermeidung bzw. eine Entfernung von eingangs beschriebenen Blechmänteln
erlaubt. Daher ist es jedoch erforderlich, dass korrespondierende
Werkzeugflächen, also Flächen der Oberflächenbearbeitungsteile 32 und 34,
deutlich größer ausgebildet sind, als bei einem Honen
mit Honsteinen, wenn eine Bearbeitungszeit durch das Bearbeitungswerkzeug
der des klassischen Honprozesses gleich kommen soll, was durch das
Bearbeitungswerkzeug 10 ermöglicht ist.
-
Die 2 zeigt
eine Gegenüberstellung einer topographischen Auswertung
einer Oberfläche 80 eines Bauteils gemäß Darstellung
A in einem Ausgangszustand und gemäß Darstellung
B nach einer Bearbeitung der Oberfläche 80 durch
ein Verfahren zum Bearbeiten der Oberfläche 80,
bei welchem ein Werkzeug beim Bearbeiten der Oberfläche 80 um eine
zur Oberfläche 80 im Wesentlichen parallel verlaufende Rotationsachse
des Werkzeugs rotatorisch und im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 80 translatorisch
bewegt wird, wobei das Werkzeug in sämtlichen, senkrecht
zu einer Normalen der Oberfläche 80 verlaufenden
Richtungen in zumindest im Wesentlichen gleich langen Oberflächenbearbeitungswegen
bewegt wird. Bei diesem Verfahren ist auch ein Bearbeitungswerkzeug 10 gemäß 1 einsetzbar.
Das beschriebene Verfahren im Zusammenhang mit dem Bearbeitungswerkzeug 10 erlaubt dabei
eine sanfte und konzentrische Verrundung von Rändern von
Poren 70 der Oberfläche 80, was zu einer
besonders niedrigen Oberflächenrauhigkeit sowie zu besonders
vorteilhaften tribologischen Eigenschaften der Oberfläche 80 führt.
-
Das
genannte Verfahren erlaubt ein Öffnen von Deckelgraten
und eine geringere Kontamination von Schmieröl durch eine
geringere Flitterbildung, als auch eine Verrundung der Ränder
der Poren 70 in allen Richtungen. Besonders in Zusammenhang
mit einer Zylinderlauffläche und mit einem tribologischen System
aus der Zylinderlauffläche, einem Kolben und einen Kolbenring
geht dies einher mit einer verbesserten Hydrodynamik an dem Kolbenring
und mit einem geringeren Ringverschleiß.
-
Durch
das Verfahren ist es ebenso ermöglicht, eine Verrundung
der Ränder der Poren 70 in Form eines kometenartigen
Schweifs zu vermeiden und vielmehr einen umlaufenden, koronarartigen Schweif
auszubilden, was in einer deutlichen Verbesserung von tribologischen
Eigenschaften der Oberfläche resultiert. So nimmt ein Spitzenanteil
ab, während ein Täleranteil steigt. Ebenso ist
eine Grundrauheit der Oberfläche 80 reduziert.
Dies resultiert auch in einer Reduzierung einer Reibleistung einer
Verbrennungskraftmaschine mit einem solchen tribologischen System.
-
Der
Aspekt der verminderten Reibleistung der Verbrennungskraftmaschine
mit einem oben beschriebenen tribologischen System aus Zylinderlauffläche,
Kolben und Kolbenring ist durch die 3 verdeutlicht.
Auf einer Ordinate 102 eines Diagramms 100 der 3 ist
eine Reibleistungsdifferenz in Watt in einem Bereich von –450
Watt bis 350 Watt aufgetragen, während auf einer Abszisse 104 des
Diagramms 100 ein Drehzahl in einem Bereich von 0 bis 6000
Umdrehungen pro Minute aufgetragen ist.
-
Die
in der 3 dargestellten Messergebnisse wurden an einem
Vollmotorprüfstand durchgeführt, wobei ein herkömmliches
Honverfahren gemäß einem Verlauf 106 als
Basis dient. Im Vergleich dazu zeigt ein Verlauf 108 den
Verlauf der Reibdifferenz im Vergleich zum Verlauf 106.
Die Messungen wurden bei 3 verschiedenen Temperaturen durchgeführt.
Wie zu sehen ist, nimmt bei steigender Drehzahl die Reibleistungsdifferenz
zu. Dies ist die Differenz gegenüber dem klassisch gehonten
Referenzaggregat. Die Zylinderlauffläche des tribologischen
Systems wurde dabei mit Schmierstoff bei einer Temperatur von 90°C
benetzt. Wie zu sehen ist, sinkt somit die Reibleistung des auf
diese Art und Weise bearbeitenden tribologischen System.
-
Gleiches
gilt auch für einen Verlauf 110, welcher den Verlauf
eines tribologischen Systems repräsentiert, bei welchem
die Zylinderlauffläche bei einer Temperatur von 110°C
mit Schmierstoff benetzt wurde.
-
Ein
Verlauf 112 stellt den Verlauf der Reibleistungsdifferenz
für ein tribologisches System dar, bei welchem die Zylinderlauffläche
bei einer Temperatur von 50°C mit Schmierstoff benetzt
wurde.
-
Wie
der 3 deutlich zu entnehmen ist, ist durch das beschriebene
Verfahren die Reibleistung des tribologischen Systems deutlich absenkbar,
was mit einem reduzierten Kraftstoffverbrauch und damit mit reduzierten
CO2-Emmisionen der Verbrennungskraftmaschine
mit einem derartigen tribologischen System einher geht.
-
- 10
- Bearbeitungswerkzeug
- 12
- Werkzeugteil
- 14
- Werkzeugteil
- 16
- Differential-Getriebe
- 18
- Kegelrad
- 20
- Kegelrad
- 22
- Kegelrad
- 24
- innere
Welle
- 26
- äußere
Welle
- 28
- Zapfen
- 30
- Achse
- 32
- Oberflächenbearbeitungsteil
- 34
- Oberflächenbearbeitungsteil
- 36
- Grundplatte
- 38
- Grundplatte
- 40
- Tellerfeder-Stapel
- 42
- Tellerfeder-Stapel
- 44
- Tellerfeder-Stapel
- 46
- Tellerfeder-Stapel
- 47
- Wälzlager
- 48
- Wälzlager
- 50
- Passstift
- 52
- Passstift
- 54
- Passstift
- 56
- Passstift
- 70
- Poren
- 80
- Oberfläche
- 100
- Diagramm
- 102
- Ordinate
- 104
- Abszisse
- 106
- Verlauf
- 108
- Verlauf
- 110
- Verlauf
- 112
- Verlauf
- A
- Darstellung
- B
- Darstellung
-
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 102007018653
A1 [0002]
- - DE 19627926 A1 [0003]
- - US 20070135023 A1 [0004, 0007]