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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche
eines Bauteils nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein
gattungsgemäßes Verfahren zum Bearbeiten einer
Oberfläche ist aus der
DE 37 19 796 A1 bekannt, bei welchem die
Oberfläche durch Honen und durch Hochdruckstrahlung bearbeitet
wird, wobei die Oberfläche zusätzlich zur Hon-
und Hochdruckstrahlbehandlung gebürstet wird.
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Die
EP 0 169984 B1 offenbart
ein Verfahren zum Herstellen der Laufflächen von aus Grauguss bestehenden
Zylindern einer Hubkolbenmaschine, bei welchem nach einer elektrisch
chemischen Bearbeitung der Laufflächen diese mit einem
Flüssigkeitsstrahl mit einem Druck von 600 bis 800 bar
beaufschlagt werden.
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Auch
aus der
DE 44 40 713
C2 ist ein Verfahren zum Herstellen von Gleitflächen
an Bauteilen aus Gusseisen bekannt, bei welchem eine Bearbeitung mit
Flüssigkeit der Gleitflächen vorgesehen ist, wobei diese
Bearbeitung mit einem Druck von 100 bar erfolgt.
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Die
DE 10 2006 051 719
A1 offenbart ein Verfahren zur Bearbeitung von einer beschichteten, im
Wesentlichen zylinderförmigen Reibkontaktfläche aus
elektrisch leitfähigen Material, wobei die Reibkontaktfläche
elektrochemisch bearbeitet wird.
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Die
DE 31 19 847 C2 offenbart
ein Verfahren zum Herstellen von Laufflächen an Zylindern
an der Kolbenkraftmaschine, bei welchem ein Oberflächenmaterial
sowohl elektrochemisch abgetragen als auch mechanisch bearbeitet
wird, wobei ein Reibplattieren der Oberfläche ohne Verschließen
von Grafitlamellen erfolgt.
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Aus
der
US 2007 0135023
A1 ist ein mechanisches System zum Läppen einer
metallischen Oberfläche bekannt, wobei ein Läppwerkzeug
vorgesehen ist, das eine Kontaktfläche aufweist, welche aus
einem Polymermaterial gebildet ist.
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Bekanntermaßen
weisen Oberflächen, insbesondere von metallischen Bauteilen
und insbesondere eine Oberfläche einer Zylinderlaufbahn
einer Verbrennungskraftmaschine, Poren auf, die stochastisch über
die Oberfläche verteilt sind. Diese Poren sind von scharfkantigen
Rändern umfasst, welche eine Rauhigkeit der Oberfläche
und damit tribologische Eigenschaften derselbigen negativ beeinflussen.
Bei den bekannten Verfahren zur Bearbeitung einer derartigen Oberfläche
kommt es zu einem Zuschmieren dieser Poren in Folge eines Abtrags
von Material der scharfkantigen Ränder und eines Transportierens
dieses Materials in die Poren. Dadurch entstehen die so genannten
Blechmäntel.
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Außerdem
erfolgt eine Verrundung der scharfkantigen Poren nur unzureichend,
was sich ebenfalls negativ auf die tribologischen Eigenschaften
der Oberfläche auswirkt.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Bearbeiten einer Oberfläche der eingangs genannten Art
bereit zu stellen, welches eine Realisierung verbesserter tribologischer
Eigenschaften der Oberfläche ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche
eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zum Bearbeiten einer
Oberfläche, insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Verbrennungskraftmaschine,
bei welchem die Oberfläche durch einen Honprozess bearbeitet,
durch einen Bürstprozess gebürstet und durch zumindest
einen weiteren Bearbeitungsprozess bearbeitet wird, ist dadurch
geschaffen, dass als weiterer Bearbeitungsprozess ein Läpp-Honprozess durchgeführt
wird. Durch diesen zusätzlichen Läpp-Honprozess
ist eine besonders günstige Verrundung von scharfkantigen
Poren der Oberfläche ermöglicht, wodurch eine
Reibleistung eines triologischen Systems, welche die durch das erfindungsgemäße
Verfahren bearbeitete Oberfläche, beispielsweise als eine
Zylinderlaufbahn sowie einen Kolben und korrespondierende Kolbenringe
umfasst, deutlich, so zum Beispiel um ca. 10%, im Vergleich zu herkömmlichen
Verfahren reduziert ist.
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Zudem
ist ein Verschleiß der Kolbenringe deutlich abgesenkt,
da scharfkantige Ränder der Poren entfernt und vermieden
werden.
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Wird
bei dem Läpp-Honprozess ein Läpp-Honwerkzeug mit
zumindest einem, im Wesentlichen aus einem Polymer gebildeten Läppwerkzeugteil
eingesetzt, so birgt dies den Vorteil, dass dadurch eine besonders
sanfte Verrundung der Poren ermöglicht ist, was eine Vermeidung
einer eingangs beschriebenen Zuschmierung der Poren ermöglicht. Die
Poren können somit als Not-Reservoir für Schmieröl
im Falle einer Mangelschmierung fungieren und weisen generell ein
höheres Ölhaltevolumen auf. Dies beeinflusst die
tribologischen Eigenschaften der durch das erfindungsgemäße
Verfahren bearbeiteten Oberfläche äußerst
positiv.
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Eine
weitere deutliche Verbesserung der tribologischen Eigenschaften
der Oberfläche sowie eine Reduzierung einer Oberflächenrauhigkeit
und eine Absenkung einer Reibleistung des oben genannten tribologischen
Systems ist dadurch ermöglicht, dass bei einer vorteilhaften
Ausführungsform der Erfindung ein Oberflächenbearbeitungswerkzeug,
insbesondere ein Läpp-Honwerkzeug, in sämtlichen,
senkrecht zu einer Normalen der Oberfläche verlaufenden
Richtungen in zumindest im Wesentlichen gleich langen Oberflächenbearbeitungswegen bewegt
wird. Dies resultiert in einer zu einer Porenmitte konzentrischen
Verrundung der Poren, wodurch eine Ausprägung einer Vorzugsrichtung
und damit eine ungleichmäßige Verrundung der Poren vermieden
ist. Damit einher geht eine weitere Verbesserung der tribologischen
Eigenschaften der Oberfläche, was einen reduzierten Kraftstoffverbrauch
und damit reduzierte CO2-Emmisionen einer Verbrennungskraftmaschine
mit einem tribologischen System bedeutet, welches eine derart bearbeitete
Zylinderlauffläche umfasst.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße
Verfahren bei jeder Oberfläche eines Bauteils anwendbar
ist. Dabei kann das Bauteil aus Gusseisen, aus einem Leichtmetall
wie beispielsweise Aluminium oder einer Aluminium-Legierung oder
aus einem anderweitigen Werkstoff ausgebildet sein. Ebenso möglich
ist die Bearbeitung von Bauteilen bzw. Oberflächen, welche
eine Beschichtung aufweisen. Bei einer derartigen Beschichtung kann
es sich beispielsweise um eine Beschichtung handeln, die mittels
eines Lichtbogendrahtspritzverfahrens (LDS-Verfahren) ausgebildet
ist und eine Porosität in einem Bereich von 3% bis 5% aufweist.
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Im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es
möglich, das genannte Oberflächenbearbeitungswerkzeug
in Relation zur zu bearbeitenden Oberfläche rotatorisch
oszillierend mit einer Richtungsumkehr oder aber auch in einer kontinuierlichen rotatorischen
Bewegung zu bewegen in Kombination mit einer parallel zur bearbeiteten
Oberfläche durchgeführten translatorischen Bewegung
des Oberflächenbearbeitungswerkzeugs. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass als abrasives Bearbeitungsmittel,
also als Läppmittel, ein Aluminiumoxid vorgesehen wird.
Allerdings sind ebenso alternative abrasive Bearbeitungsmittel wie beispielsweise
Siliziumcarbid einsetzbar.
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Wird
eine zusätzliche Hochdruckstrahlbehandlung, insbesondere
eine Hochdruckwasserstrahlbehandlung, der Oberfläche durchgeführt,
so ist dies in sofern vorteilbehaftet, als somit eine weitere Verbesserung
der tribologischen Eigenschaften der Oberfläche realisiert
ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass eine zusätzliche
Hochdruckstrahlbehandlung, insbesondere eine Hochdruckwasserstrahlbehandlung,
mit anschließender Mikroendbearbeitung (micro-finishing),
der Oberfläche durchgeführt wird, was einen zusätzlichen
positiven Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche bedeutet.
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Des
Weiteren ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen,
dass eine zusätzliche mikrochemische Bearbeitung, also
eine so genannte ECM-Bearbeitung (electro-chemical-machining), der Oberfläche
durchgeführt wird, wodurch eine weitere Verbesserung der
tribologischen Eigenschaften der Oberfläche herbei führbar
ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung.
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.
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Die
Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
Gegenüberstellung von topographischen Auswertungen einer
Oberfläche eines Bauteils in einem Ausgangszustand einerseits
und in einem bearbeiteten Endzustand andererseits und
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2 vier
Verläufe einer Reibleistungsdifferenz über einer
Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Kolbengruppe
der Verbrennungskraftmaschine, wobei jedem Verlauf ein unterschiedliches
Bearbeitungsverfahren einer Zylinderlauffläche der Verbrennungskraftmaschine
zugeordnet ist.
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Die 1 zeigt
gemäß Darstellung A eine topographische Auswertung
einer Oberfläche 12 eines Bauteils in Form einer
Zylinderlauffläche einer Verbrennungskraftmaschine in einem
Ausgangszustand. Die Oberfläche 12 weist dabei
stochastisch verteilte Poren 10 auf, welche von scharfkantigen Rändern
umfasst sind. Diese scharfkantigen Ränder beeinflussen
tribologische Eigenschaften der Oberfläche 12 negativ
und führen zu einem erhöhten Verschleiß eines
Kolbenrings eines Kolbens, welcher auf der Oberfläche 12 in
Form der Zylinderlauffläche gleitet.
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Gemäß Darstellung
B ist die Oberfläche 12, welche nach wie vor eine
Mehrzahl von Poren 10 aufweist, dargestellt, wobei die
Oberfläche 12 allerdings mit einem Verfahren zum
Bearbeiten der Oberfläche 12 bearbeitet ist, bei
welchem die Oberfläche 12 durch einen Honprozess
bearbeitet, durch einen Bürstprozess gebürstet
und durch zumindest einen weiteren Bearbeitungsprozess bearbeitet
wird, wobei als weiterer Bearbeitungsprozess ein Läpp-Honprozess
durchgeführt wird. Bei diesem Läpp-Honprozess
wird ein Oberflächenbearbeitungswerkzeug, insbesondere
ein Läpp-Honwerkzeug, in sämtlichen, senkrecht
zu einer Normalen der Oberfläche 12 verlaufenden
Richtungen in zumindest im Wesentlichen gleich langen Oberflächenbearbeitungswegen
bewegt. Dadurch ist eine konzentrische Verrundung der Poren 10 und
damit der scharfkantigen Ränder der Poren 10 erreicht,
was zu besonders günstigen tribologischen Eigenschaften
der Oberfläche 12 führt. Deckelgrate
werden geöffnet, und zudem ist eine geringere Kontamination
von Schmieröl in Folge einer geringeren Flitterbildung
erreicht. Die konzentrische Verrundung der scharfkantigen Ränder
der Poren 10 erlaubt zudem eine verbesserte Hydrodynamik
an dem Kolbenring und in Folge dessen einen geringeren Kolbenringverschleiß.
Zudem ist eine Senkung einer Reibleistung der Verbrennungskraftmaschine mit
der Oberfläche 12 als Zylinderlauffläche
realisiert.
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Ein
weiterer Effekt dieses Verfahrens ist ein quasi automatischer Kornfeinungsprozess,
welcher eine Oberflächengüte durch Erhöhung
einer Bearbeitungsdauer ermöglicht. Dadurch, dass also
zumindest im Wesentlichen gleichlange Oberflächenbearbeitungswege
zurückgelegt werden, ist eine Vorzugsrichtung der Verrundung
der Poren 10 vermieden, wobei diese gleichlangen Oberflächenbearbeitungswege
durch eine Variation eines Verhältnisses aus Drehzahl des
Oberflächenbearbeitungswerkzeugs und Hubfrequenz einer
bei dem Läpp-Honprozess durchgeführten, parallel
zu der zu bearbeitenden Oberfläche verlaufenden translatorischen
Bewegung des Oberflächenbearbeitungswerkzeugs und durch
Variation einer Rotationsrichtung desselbigen und die Verrundung
der Poren 10 in alle Richtungen ermöglicht ist.
Ein aus herkömmlichen Verfahren bekannter kometenartiger
Schweif in Folge einer Verrundung der Poren 10 wird durch
dieses Verfahren vermieden, vielmehr wird ein umlaufender, koronaartiger
Schweif gebildet. Dies verbessert Oberflächenparameter
deutlich, ein Spitzenanteil sowie eine Grundrauheit der Oberfläche
nimmt ab, während ein Täteranteil steigt.
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Die
genannte Reduzierung der Reibleistung der Verbrennungskraftmaschine
wird insbesondere in Zusammenschau mit 2 deutlich.
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Die 2 zeigt
ein Diagramm 20 mit einer Ordinate 22, auf welcher
eine Reibleistungsdifferenz in der Einheit Watt in einem Bereich
von –450 bis 350 Watt aufgetragen ist und mit einer Abszisse 24,
auf der eine Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine in einem Bereich
von 0 bis 6000 Umdrehungen pro Minute aufgetragen ist. Zudem umfasst
das Diagramm 20 vier Verläufe 26, 28, 30 und 32,
welche einen Verlauf der Reibleistungsdifferenz über der
Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine darstellen, wobei jedem Verlauf 28, 30 und 32 eine
andere Liner-Oberfläche zuzuordnen ist. Alle 3 Messschriebe wurden
mit ein und dem selben Aggregat gemessen. Hierzu wurden die Liner
jeweils bei Raumtemperatur end-bearbeitet. Die Zylinderlauffläche
der Kolbengruppen wurden auf unterschiedliche Arten bearbeitet.
So bezieht sich der Verlauf 26, welcher als Basisverlauf
anzusehen ist, auf eine Bearbeitung der Zylinderlauffläche
durch ein herkömmliches Honverfahren. Die Reibleistungsdifferenz über
der Drehzahl beträgt stets 0.
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Die
Temperaturen beziehen sich auf die jeweiligen Meßtemperaturen
(Öl- und Wassertemperatur des neu end-bearbeiteten Prüfmotors)
von 50, 90 und 110°C. Die Abbildung zeigt mit den Messschrieben 28, 30 und 32 die
temperaturabhängige Reibleistungsdifferenz (Reibleistungsverbesserung)
zu dem ”klassisch gehonten” Referenzaggregat für
die Messtemperaturen 50, 90 und 110°C.
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Der
Meßschrieb 26 stellt dabei für jede Messtemperatur
als Referenz die ”Null-Linie” dar (Aggregat mit
Lineroberfläche ohne End-Finisching).
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Der
Verlauf 28 bezieht sich auf eine Kolbengruppe, deren Zylinderlauffläche
durch ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche bearbeitet
ist, bei welchem die Oberfläche durch einen Honprozess
bearbeitet, durch einen Bürstprozess gebürstet
und durch zumindest einen weiteren Bearbeitungsprozess bearbeitet
wird, wobei als weiterer Bearbeitungsprozess ein Läpp-Honprozess
durchgeführt wird, bei welchem ein Oberflächenbearbeitungswerkzeug,
insbesondere ein Läpp-Honwerkzeug, in sämtlichen,
senkrecht zu einer Normalen der Oberfläche verlaufenden
Richtung in zumindest im Wesentlichen gleich langen Oberflächenbearbeitungswegen
bewegt wird. Dieses Verfahren wurde bei einer Temperatur von 90°C
durchgeführt.
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Der
Verlauf 30 bezieht sich auf eine Zylinderlauffläche,
welche ebenfalls durch ein derartiges Verfahren allerdings bei einer
Temperatur von 110°C bearbeitet wurde.
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Der
Verlauf 32 bezieht sich auf eine Kolbengruppe mit einer
Zylinderlauffläche, die ebenfalls durch ein derartiges
Verfahren, allerdings bei einer Temperatur von 50°C bearbeitet
wurde. Wie zu sehen ist, ist durch dieses Verfahren eine Absenkung der
Reibleistung der Verbrennungskraftmaschine erreicht, wobei ein Drehzahlbereich
von ca. 700 Umdrehungen bis ca. 5000 Umdrehungen in dem Diagramm 20 betrachtet
ist. Diese Absenkung der Reibleistung geht einher mit einer Reduzierung
eines Kraftstoffverbrauchs und damit mit geringeren CO2-Emmisionen
der Verbrennungskraftmaschine.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Poren
- 12
- Oberfläche
- 20
- Diagramm
- 22
- Ordinate
- 24
- Abszisse
- 26
- Verlauf
- 28
- Verlauf
- 30
- Verlauf
- 32
- Verlauf
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3719796
A1 [0002]
- - EP 0169984 B1 [0003]
- - DE 4440713 C2 [0004]
- - DE 102006051719 A1 [0005]
- - DE 3119847 C2 [0006]
- - US 20070135023 A1 [0007]
