DE102010035641A1

DE102010035641A1 - Verfahren und Schneidwerkzeug zur Oberflächenbearbeitung sowie strukturierte Oberfläche

Info

Publication number: DE102010035641A1
Application number: DE201010035641
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Michael (FH) Grüner; Dr. rer. nat. Haug Tilmann; Dr.-Ing. Izquierdo Patrick; Dr.-Ing. Lahres Michael; Dipl.-Ing. Oliver (FH) Neufang
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und ein Schneidwerkzeug zur Oberflächenbearbeitung sowie eine strukturierte Oberfläche selbst bereit. Das Verfahren zur Oberflächenbearbeitung einer durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Lichtbogenspritzen, auf eine Gleitfläche aufgebrachten harten Schicht (1) mit definierter Porenverteilung erfolgt unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs, mittels dessen die Schicht (1) mit zumindest einer Schneide (2) zerspanend bearbeitet wird, wobei Schneidenparameter aus der Gruppe, umfassend zumindest einen Schneidstoff, eine Schneidenmikrogeometrie und eine Schneidenmakrogeometrie, so ausgewählt werden, dass ein durch Zerspanung abgetrenntes Material von der Oberfläche abgehoben und weggeleitet wird. Dabei werden die Poren (3) ohne Bildung eines Deckelgrats (4) freigelegt und es wird eine vorbestimmte Rauheit der Oberfläche erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mittels dessen insbesondere durch thermisches Spritzen auf Gleitflächen aufgebrachte Oberflächen bearbeitet werden können, sowie ein entsprechendes Schneidwerkzeug. Ferner betrifft die Erfindung die strukturierte Oberfläche selbst.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Zylinderlaufbahnen durch thermische Beschichtungen mit definierter Porenverteilung zu versehen. Dies kann beispielsweise durch Lichtbogendrahtspritzen (LDS) erfolgen. Diese Poren dienen als Ölrückhaltevolumen und können somit Honstrukturen teilweise oder sogar ganz substituieren. Die durch thermisches Spritzen erhaltenen Poren, die sich an der Oberfläche der Lauffläche befinden, müssen allerdings möglichst ganz geöffnet werden und dürfen nicht durch einen im Zerspanprozess entstehenden Grat verdeckt werden. Das Ölrückhaltepotential kann also nur voll ausgeschöpft werden, wenn eine sogenannte Deckelgratbildung vermieden wird. Thermisch, beispielsweise mit LDS, beschichtete Zylinderlaufbahnen werden vielfach einer nachfolgenden spanenden Bearbeitung mittels Honwerkzeugen unterzogen. Das Honen eignet sich besonders zur Bearbeitung von harten Materialien, ist allerdings als Schleifvorgang ohne definierte Schneide zu sehen. Beim Honen besteht daher das Problem der Deckelgratbildung, wodurch die Poren teilweise oder gar ganz verschlossen werden und somit das angestrebte Ölrückhaltevolumen verringert wird. Nachteilig können sich solche gebildeten Deckelgrate auch während der Betriebslaufzeit eines Motors undefiniert ablösen.
Aus der DE 199 24 494 A1 ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer tribologischen Schicht aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bzw. einem Verbundwerkstoff daraus bekannt, das weniger aufwendig und weniger kostspielig sein soll. Dazu wird die Oberfläche in einem einstufigen Verfahren ohne Schmierstoff trocken zerspant, wobei ein Schneidwerkzeug mit mindestens einem diamanthaltigen Schneidstoff verwendet wird. Die Güte einer solch bearbeiteten Oberfläche ist mit einer gehonten Oberfläche vergleichbar.
Aus der DE 10 2004 009 928 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche durch Lichtbogenspritzen bekannt. Die dadurch erhaltenen Ausnehmungen oder Tälerstrukturen in der Gleitfläche sollen durch Feindrehen und einen Mikrofinish-Prozess bearbeitet werden, wobei beim Feindrehen auf einen bestimmten Durchmesser abgetragen wird, während sich durch den Mikrofinishing-Prozess, etwa ein Poliervorgang, das Maß der Restrauheit und somit das Ölreservoir gezielt und reproduzierbar einstellen lässt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, die Nachbearbeitung von beschichteten Gleitflächen durch Feindrehen dahingehend zu verbessern, dass die in der Schicht gebildeten Poren während des Zerspanvorgangs ohne Deckelgratbildung freigelegt werden.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Oberflächenbearbeitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ferner ergibt sich die Aufgabe, ein entsprechendes Schneidwerkzeug bereitzustellen, mittels dessen eine verbesserte Oberflächenbearbeitung möglich ist.
Das Schneidwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 löst diese Aufgabe.
Die Schaffung einer strukturierten Oberfläche, die eine verbesserte Geometrie aufweist, wird schließlich durch die strukturierte Oberfläche mit den Merkmalen des Anspruchs 10 bereitgestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das dazu geeignet ist, eine durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Lichtbogenspritzen auf eine Gleitfläche aufgebrachte harte Oberflächenschicht mit definierter Porenverteilung zu bearbeiten, basiert in einer ersten Ausführungsform darauf, dass die Schicht unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs mit einer oder mit mehreren Schneiden zerspant wird. Dabei werden die Schneidenparameter aus einer Gruppe gewählt, die den Schneidstoff, die Schneidenmikrogeometrie und eine Schneidenmakrogeometrie umfasst. Diese Parameter werden derart ausgewählt, dass die Schneidenbeschaffenheit es ermöglicht, dass das durch den Zerspanungsvorgang von der Oberfläche abgetrennte Material vorteilhaft nicht in die Pore hinein geschoben wird, sondern vielmehr nach oben und weg geleitet wird. Dabei wird es vorteilhaft ermöglicht, dass die Poren freigelegt werden und nicht durch die Bildung eines andernfalls bei der zerspanenden Oberflächebearbeitung entstehenden Deckelgrats bedeckt werden. So kann eine gewünschte Rauheit der Oberfläche erzielt werden.
Eine derartige Deckelgratbildung erfolgt beispielsweise bei der Bearbeitung von LDS-Oberflächen mittels einer Honleiste: Diese schiebt das abzuhebende Material voraus und drückt es dabei zumindest teilweise in die Pore. Anders als beim Honen wird im erfindungsgemäßen Verfahren angestrebt, exakt definierte Schneidenbeschaffenheiten bereitzustellen, die gerade das Spanabheben ermöglichen. Dazu kann die Schneidenmakrogeometrie durch einen vorbestimmten Freiwinkel, einen Keilwinkel und den Spanwinkel bestimmt sein. Auch ein Schneidkantenradius der Schneidenmikrogeometrie kann vorgegeben sein, ebenso wie die Schneidegeschwindigkeit und der Zahnvorschub.
Selbstverständlich muss die Schneidkante nicht symmetrisch gerundet vorliegen, generell sind angefaste Schneidkanten oder unsymmetrisch gekrümmte Schneidkanten ebenfalls denkbar. Es wird vorliegend vorgeschlagen, dass der Zahnvorschub in Abhängigkeit der vorbestimmten Rauheit der Oberfläche kleiner als der Schneidkantenradius gewählt wird.
Schließlich wird die Qualität des Oberflächenbearbeitungsverfahrens erfindungsgemäß durch den Schneidstoff, sowie gegebenenfalls eine Schneidstoffbeschichtung mitbestimmt. Als Schneidstoffe eignet sich insbesondere kubisch kristallines Bornitrid, dessen Verwendung aufgrund seiner hohen thermischen Stabilität mit einer Trockenbearbeitung der Oberfläche einhergehen kann. Es ist auch möglich, als Schneidstoff polykristallinen Diamant, ein Hartmetall oder eine Keramik zum Einsatz zu bringen. Dabei sollte die Oberfläche erfindungsgemäß unter Zufuhr eines Schneidöls, eines Kühl- oder eines Schmieröls bearbeitet werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Schnittgeschwindigkeit wenigstens 90 m/min beträgt.
Erfindungsgemäß kann als Schneidwerkzeug eine Platte eingesetzt werden, die auch als Wendeschneidplatte verwendbar ist und die insofern zumindest zwei Schneiden aufweisen kann. Grundsätzlich können Ausspindelwerkzeuge mit mehreren erfindungsgemäß definierten Schneiden eingesetzt werden. Die Schneidspindel kann auch mit mehreren Wendeschneidplatten bestückt sein ist. Eine solche mit mehreren Schneidplatten ausgerüstete Schneidspindel ist besonders vorteilhaft, wenn es sich bei der zu bearbeitenden Oberfläche um eine zylinderförmige Gleitfläche, wie sie als Zylinderlauffläche vorkommt, handelt. Die Schneidplatten der Schneidspindel dienen dann gleichzeitig der Führung innerhalb der zylinderförmigen Gleitfläche.
Ein zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigtes Schneidwerkzeug, das dazu geeignet ist, die Oberfläche einer durch thermisches Spritzen auf eine zylinderförmige Gleitfläche aufgebrachten harten Schicht mit definierte Porenverteilung zu bearbeiten, erfordert daher wenigstens eine Schneide, deren Schneidenparameter selektiv ausgewählt werden. Bei den relevanten Schneidenparametern handelt es sich um den Schneidenstoff, die Schneidenmakrogeometrie und die Schneidenmikrogeometrie. Diese werden derart zusammengestellt, dass eine spanabhebende Oberflächenbearbeitung gewährleistet ist, die es ermöglicht, dass der abgehobene Span von der die Poren aufweisenden Oberfläche derart weggeleitet wird, dass die Porenöffnung gratfrei gebildet wird. So wird eine gewünschte, vorbestimmte Rauheit der Oberfläche erreicht, die es ermöglicht, in gewünschtem Maß Öl auf der zylinderförmigen Gleitfläche zurück zu halten, wenn diese im bestimmungsgemäßen Gebrauch ist.
Das erfindungsgemäße Schneidewerkzeug kann insbesondere eine Wendeschneidplatte aufweisen, die eine hinter der Schneide befindliche Spanleitstufe umfasst. Das Werkzeug kann ein- oder mehrschneidig sein und es kann an einer Schneidspindel angeordnet sein. Erfindungsgemäß kann die Schneidspindel, um auf definierte vorbestimmte Weise geführt zu werden, eine Abstützeinrichtung aufweisen, die dadurch gebildet wird, dass entweder mehrere Schneidplatten vorliegen oder dass eine Führungsleiste an dem Schneidspindelumfang vorliegt.
So wird die erfindungsgemäß strukturierte Oberfläche der durch thermisches Spritzen auf der zylinderförmigen Gleitfläche aufgebrachten harten Schicht geschaffen, die eine definierte Porenverteilung aufweist, wobei die Oberfläche eine vorbestimmte Rauheit aufweist und wobei die in der harten Schicht definiert verteilten Poren ohne durch Deckelgrate verdeckt zu sein vorliegen.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem verbesserten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigt:
1 eine Seitenschnittansicht einer zu bearbeitenden Oberfläche mit Pore,
2 eine Seitenschnittansicht einer zu bearbeitenden Oberfläche bei der honenden Bearbeitung (Stand der Technik) der Pore,
3 Seitenansicht einer Oberfläche mit Pore während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächenbearbeitung.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich darauf, dass thermische Beschichtungen von Zylinderlaufbahnen, wie sie insbesondere mittels Lichtbogenspritzens hergestellt werden, seriell mit definierter Porenverteilung versehen werden. Diese Poren dienen unter anderem als Ölrückhaltevolumen und können die bisher bekannten Hon-Strukturen teilweise oder sogar ganz substituieren. Dazu werden die an der Oberfläche der Lauffläche der Zylinderlaufbahn befindlichen Poren mittels eines Zerspanprozesses möglichst ganz geöffnet, sie dürfen nicht mittels eines im Zerspanprozess entstehenden Grates verdeckt werden, was durch die Oberflächenbearbeitung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht wird.
1 zeigt eine derartige Oberfläche 1, die eine Pore 3 aufweist. Wird diese Oberfläche nunmehr bei der Oberflächenbearbeitung mit Hilfe eines Zerspanwerkzeugs bearbeitet, das keine definierte Schneide aufweist, bzw. dessen Schneideparameter nicht auf definierte Weise eingestellt und auf die Oberflächenbeschaffenheit abgestimmt sind, so kommt es zu dem Deckelgrat 4, wie er in 2 durch den Zahnvorschub V der Schneide 6 erreicht wird.
Anders bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es in 3 dargestellt ist: Dort wird eine Schneidplatte 5 verwendet, die eine Schneide 2 aus einem Schneidstoff aufweist, dessen Beschaffenheit auf die zu bearbeitende Oberfläche 1 abgestimmt ist.
Schneidstoffe sind hierbei kubisch kristallines Bornitrid (bevorzugt), das vorzugsweise mit einer Trockenbearbeitung der Oberfläche kombiniert werden sollte, aber auch polykristalliner Diamant, Hartmetall oder Keramiken. Die zuletzt genannten Schneidstoffe bzw. Materialien werden unter Verwendung eines Kühlschmierstoffs oder eines Schneidöls eingesetzt. Die Wahl des Kühlmediums an sich ist von großer Bedeutung, bei der Verwendung der vorgenannten Kühl- oder Schmierstoff kann eine Minimalmengenschmierung erfolgen. Weiter ist eine geeignete Schneidengeometrie zu wählen, bei der auf den Schneidenradius, die Schneidkantenverrundung und die Spanleitform zu achten ist.
Die Schneidengeometrie kann in eine Schneidenmakrogeometrie und eine Schneidenmikrogeometrie unterteilt werden, wobei bei der Festlegung der Schneidenmikrogeometrie die Form – gerundet oder gefast – und die Abmessungen der Schneidkante, etwa die Schneidenkantenradien für symmetrisch oder unsymmetrisch gerundete Schneidkanten bestimmt werden, wohingegen die Schneidenmakrogeometrie einen Freiwinkel, einen Keil- und einen Spanwinkel sowie gegebenenfalls eine Form der Schneidplatte umfasst.
Erfindungsgemäß soll die Schneidegeschwindigkeit der Schneide über der Oberfläche mit 90 m/Min. als Mindestgeschwindigkeit ausgeführt werden. Der Zahnvorschub ist dabei von der Schneidengeometrie und der zu erzielenden Oberflächenrauhigkeit abhängig, der Zahnvorschub, wie er in 3 durch V indiziert ist, soll in Abhängigkeit der vorbestimmten Rauhigkeit der Oberfläche kleiner als der Schneidkantenradius gewählt werden.
Als Schneidwerkzeug kann ein mehrschneidiges Werkzeug wie ein Ausspindelwerkzeug mit definierten Schneiden verwendet werden, so kann vorteilhaft die Bearbeitungszeit entsprechend reduziert werden und es kann, durch die Verwendung der Mehrzahl der Schneiden als Abstützeinrichtung oder durch eine an der Schneidspindel vorliegende Führungsleiste, die ebenfalls als Abstützeinrichtung dient, eine verbesserte Führung des Ausspindelwerkzeugs über der zu bearbeitenden Oberfläche erreicht werden.
So kann eine reproduzierbare vorbestimmte Oberflächenbearbeitung mit Freilegung der Poren, wie sie in 3 dargestellt ist, erreicht werden und eine erfindungsgemäß beschaffene Oberfläche 1', die eine strukturierte Oberfläche mit definierter Porenverteilung und frei vorliegenden Poren 3 hat, wird erzielt. Damit wird vorteilhaft ein optimales Ölrückhaltevolumen bei thermisch beschichteten Zylinderlaufbahnen erreicht.
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 19924494 A1 [0003]
DE 102004009928 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Oberflächenbearbeitung einer durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Lichtbogenspritzen auf eine Gleitfläche aufgebrachten harten Schicht (1) mit definierter Porenverteilung, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (1) unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs mit zumindest einer Schneide (2) zerspanend bearbeitet wird, wobei Schneideparameter aus der Gruppe, umfassend zumindest einen Schneidstoff, eine Schneidenmikrogeometrie und eine Schneidenmakrogeometrie, so ausgewählt werden, dass ein durch Zerspanung abgetrenntes Material von der Oberfläche abgehoben und weggeleitet wird, wobei die Poren (3) ohne Bildung eines Deckelgrats (4) freigelegt werden und eine vorbestimmte Rauheit der Oberfläche erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidenmakrogeometrie einen Freiwinkel, einen Keilwinkel und einen Spanwinkel, und die Schneidenmikrogeometrie zumindest einen Schneidkantenradius umfasst, und dass die Schneideparameter ferner eine Schneidegeschwindigkeit, einen Zahnvorschub (V) und eine Schneidstoffbeschichtung umfassen, wobei der Zahnvorschub (V) in Abhängigkeit der vorbestimmten Rauheit der Oberfläche kleiner als der Schneidkantenradius gewählt wird
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidstoff – kubisch kristallines Bornitrid ist und dass die Oberfläche trocken bearbeitet wird, – polykristalliner Diamant, ein Hartmetall oder eine Keramik ist, wobei die Oberfläche unter Zufuhr eines Schneidöls, Kühl- und/oder Schmiermittels bearbeitet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidegeschwindigkeit zumindest 90 m/min beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Schneidwerkzeug eine Schneidplatte (5), insbesondere eine Wendeschneidplatte verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche eine zylinderförmige Gleitfläche, insbesondere eine Zylinderlauffläche ist und dass als Schneidwerkzeug ein mehrschneidiges Werkzeug, insbesondere eine mit mehreren Schneidplatten, vorzugsweise mit mehreren Wendeschneidplatten bestückte Schneidspindel, verwendet wird, wobei das Schneidwerkzeug mittels der Schneidplatten (5) in der zylinderförmigen Gleitfläche geführt wird.
Schneidwerkzeug zur Oberflächenbearbeitung einer durch thermisches Spritzen auf eine zylinderförmigen Gleitfläche aufgebrachten harten Schicht (1) mit definierter Porenverteilung, wobei das Schneidwerkzeug zumindest eine Schneide (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Schneidenparameter, umfassend zumindest einen Schneidstoff, eine Schneidenmakrogeometrie und eine Schneidenmikrogeometrie der Schneide (2), ausgewählt sind, um einen Span von der Oberfläche abzuheben und wegzuleiten und die Poren (3) ohne Bildung eines Deckelgrats (4) freizulegen und eine vorbestimmte Rauheit der Oberfläche zu erzielen.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidwerkzeug – zumindest eine Schneidplatte, insbesondere eine Wendeschneidplatte umfasst, wobei die Schneidplatte (5) eine hinter der Schneide (2) befindliche Spanleitstufe umfasst, und – ein ein- oder ein mehrschneidiges Werkzeug ist, wobei die eine oder mehrere Schneidplatten (5) an einer Schneidspindel angeordnet ist/sind.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidspindel eine Abstützeinrichtung umfasst, die durch die Mehrzahl der Schneidplatten oder durch eine Führungsleiste an einem Schneidspindelumfang gebildet wird.
Strukturierte Oberfläche (1') der durch thermisches Spritzen auf eine zylinderförmigen Gleitfläche aufgebrachten harten Schicht (1) mit definierter Porenverteilung, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (1') eine vorbestimmte Rauheit aufweist, wobei die in der harten Schicht (1) definiert verteilten Poren (3) ohne Deckelgratbildung freigelegt vorliegen.