DE102010016745A1

DE102010016745A1 - Verfahren zur strukturierten Vorbehandlung einer Lauffläche

Info

Publication number: DE102010016745A1
Application number: DE102010016745A
Authority: DE
Inventors: Bernd Hemminger; Joachim Kelm; Antonius Rehr
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2010-05-03
Publication date: 2011-11-03
Also published as: FR2959516A1; BRPI1102460A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur strukturierten Vorbehandlung einer Lauffläche für eine anschließende Beschichtung, insbesondere eine thermische Beschichtung, von Werkstücken aus Leichtbauwerkstoffen, wobei mit einem Werkzeug eine Struktur in die Lauffläche (1) eingebracht wird. Um einen optimalen Formschlusses zwischen der Beschichtung und der Lauffläche bei minimalem Aufwand zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, dass die Struktur mittels eines hochenergetischen Strahls (5), insbesondere mittels eines Plasma-, Laser- oder Elektronenstrahls, erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur strukturierten Vorbehandlung einer Lauffläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Im Motorenbau ist es bekannt, Laufflächen in Zylinderkurbelgehäusen so zu behandeln, dass eine verschleißfeste und reibungsarme Lauffläche entsteht. Dieser Effekt kann mit thermischen Beschichtungen erzielt werden, bei der Partikel mittels hoher mechanischer und kinetischer Energie auf die zu beschichtende Oberfläche der Zylinderlauffläche gespritzt werden und dort nach Temperaturabkühlung die gewünschte Schicht entsteht.
Es ist ferner bekannt, dass die zu beschichtende Oberfläche vor dem Beschichtungsprozess zu bearbeiten ist, um einen Formschluss zwischen der Beschichtung und der Oberfläche zu erzielen. Hierzu wurden Verfahren zum mechanischen Aufrauhen einer Oberfläche untersucht, mit denen beispielsweise eine zahn- oder zackenähnliche Oberfläche erzielt wird. Einen besonders intensiven Formschluss ergeben Einkerbungen mit Hinterschneidungen, wie beispielsweise Rillen mit einem Schwalbenschwanzprofil.
Ein mechanisches Verfahren zum Aufrauhen und ein entsprechendes Werkzeug für das Erzeugen von Rillen mit Schwalbenschwanzprofil zeigt die DE 10 2008 058 452 A1 . Mit dem Werkzeug kann in eine zylindrische Oberfläche einer Laufbahn von Kurbelgehäusen spiralförmig eine Rille mit Schwalbenschwanzprofil eingearbeitet werden, indem mehrere Zähne eines sogenannten Folgewerkzeugs nacheinander die Rille auf Endmaß bringen. Bei diesem Verfahren sind die einzelnen Zähne mit dem Vorschub des Werkzeugs ganz genau aufeinander abzustimmen. Sobald hier Abweichungen auftreten, erreicht die Rille nicht das gewünschte Endmaß und der Formschluss zwischen Beschichtung und Oberfläche ist nicht gewährleistet.
Der Erfindung liegt insofern die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen einer zur thermischen Beschichtung geeigneten Oberflächenstruktur zur Verfügung zu stellen, mit der ein optimaler Formschlusses zwischen Beschichtung und Oberfläche bei minimalem Aufwand gewährleistet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Der Kern der Erfindung liegt darin, eine Lauffläche von Werkstücken aus Leichtbauwerkstoffen für eine anschließende ggf. thermische Beschichtung mittels eines hochenergetischen Strahls derart vorzubehandeln, dass eine vorbestimmte Struktur erzeugt wird. Als hochenergetischer Strahl kann beispielsweise ein Plasma-, Laser- oder Elektronenstrahl zum Einsatz kommen. Hochenergetische Strahlen können gut dosiert werden, so dass die Tiefe und Breite der Struktur beispielsweise durch Änderung der Energiedichte definiert werden kann. Die Struktur kann durch Verlängerung oder Verkürzung der Strahldauer auf einen Punkt verändert werden. Es handelt sich um eine spanlose Bearbeitung, so dass keine Restpartikel die Lauffläche für weitere Bearbeitungsgänge kontaminiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Strahl in einem Winkel vom Werkzeug in Richtung der Lauffläche abgestrahlt werden, so dass sich als Struktur eine Rille mit einer Hinterschneidung ergibt. Derartige Rillen mit Hinterschneidungen sind besonders gut geeignet, einen Formschluss zwischen der Lauffläche und der Beschichtung vorzusehen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann der Strahl in einem vom ersten Winkel abweichenden zweiten Winkel vom Werkzeug in Richtung der Lauffläche abgestrahlt werden, so dass sich unmittelbar neben oder in zumindest teilweiser Überdeckung mit der ersten Rille eine zweite Rille mit einer Hinterschneidung ergibt. Auf diese Art und Weise kann in einfacher Form ein Schwalbenschwanzprofil mit hervorragenden Formschluss erzeugt werden.
Für die Erzeugung einer definierten Struktur in der Lauffläche kann das Werkzeug auf- und ab bewegt und/oder um seine Achse rotiert werden, so dass der Strahl an nahezu jeden beliebigen Punkt der Lauffläche treffen kann.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Teil-Schnittansicht einer Lauffläche eines Zylinderkurbelgehäuses mit einem einen hochenergetischen Strahl erzeugenden Werkzeug,
2 die Teil-Schnittansicht gemäß 1 mit einer ersten Rille,
3 die Teil-Schnittansicht gemäß 1 mit einem einen hochenergetischen Strahl erzeugenden Werkzeug sowie
4 die Teil-Schnittansicht gemäß 1 mit einer zweiten Rille.
In den 1 bis 4 ist ein Ausschnitt einer zylindrischen Lauffläche 1 eines Zylinderkolbengehäuses 2 schematisch dargestellt. Ein Werkzeug 3, das sich innerhalb des von der Lauffläche 1 umgebenen Zylinders gemäß Pfeilrichtung A auf- und ab bewegen sowie gemäß Pfeilrichtung B um seine Achse 4 rotieren kann, erzeugt einen hochenergetischen Strahl 5, wie beispielsweise einen Plasma-, Laser- oder Elektronenstrahl.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Strahl 5 in einem Winkel α vom Werkzeug in Richtung der Lauffläche 1 abgestrahlt, so dass sich eine Rille 6, wie in 2 dargestellt ergibt. Bei entsprechendem Vorschub gemäß Pfeilrichtung A und Rotation gemäß Pfeilrichtung B des Werkzeugs 3 und ergibt sich eine spiralförmige Rille auf der Lauffläche 1. Die Rille 6 weist durch den winkeligen Eintrag eine Hinterschneidung 7 auf, die einen optimalen Formschluss zwischen der Lauffläche 1 und der anschließenden Beschichtung 8, die ausschließlich in 4 dargestellt ist, ergibt.
In einem weiteren Bearbeitungsschritt kann der Strahl 5 in einem Winkel β vom Werkzeug abgestrahlt werden, so dass sich unmittelbar neben oder in zumindest teilweiser Überdeckung mit der ersten Rille 6 eine zweite Rille 9 mit einer Hinterschneidung 10 ergibt. Damit lässt sich in zwei Bearbeitungsschritten spanlos ein Schwalbenschwanzprofil erzeugen, bei dem der Formschluss zur Beschichtung 8 hervorragend ist.
Alternativ kann der Strahl auch im rechten Winkel zur Lauffläche 1 ausgerichtet sein. Ein rechtwinklig ausgerichteter Strahl ermöglicht eine reflexionsarme, maximale Energienutzung bei verminderten Hinterschneidungen. Schiefwinklige Strahlausrichtungen ermöglichen optimierte Hinterschneidungen mit hohem Formschlussvermögen. Die Strahlausrichtung sollte insofern entsprechend der Notwendigkeit einer Verklammerungswirkung des Beschichtungsmaterials mit der Lauffläche ausgewählt werden.
Es ist nicht zwingend notwendig, dass das Werkzeug 3 eine spiralförmige Rille erzeugt. Es können auch umlaufend geschlossene Rillen oder kreuzförmig übereinander verlaufende Rillen eingebracht werden. Denkbar sind auch rautenartige oder punktuelle Strukturen. Wesentlich ist, dass das Werkzeug in der Lage ist, hochenergetische Strahlen zu erzeugen, die die Lauffläche strukturiert verändern, so dass ein optimaler Formschluss zwischen Beschichtung und Lauffläche erreicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008058452 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur strukturierten Vorbehandlung einer Lauffläche für eine anschließende Beschichtung, insbesondere eine thermische Beschichtung, von Werkstücken aus Leichtbauwerkstoffen, wobei mit einem Werkzeug eine Struktur in die Lauffläche (1) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur mittels eines hochenergetischen Strahls (5), insbesondere mittels eines Plasma-, Laser- oder Elektronenstrahls, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (5) in einem Winkel (α) vom Werkzeug (3) in Richtung der Lauffläche (1) abgestrahlt wird, so dass sich als Struktur eine Rille (6) mit einer Hinterschneidung (7) ergibt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (5) in einem Winkel (β) vom Werkzeug (3) in Richtung der Lauffläche (1) abgestrahlt wird, so dass sich unmittelbar neben oder in zumindest teilweiser Überdeckung mit der ersten Rille (6) eine zweite Rille (9) mit einer Hinterschneidung (10) ergibt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Werkzeug (3) innerhalb eines von der Lauffläche (1) umgebenen Zylinders des Werkstücks auf- und ab bewegt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (3) um seine Achse (4) rotiert.