DE102010052735A1

DE102010052735A1 - Bremsscheibe und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102010052735A1
Application number: DE201010052735
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Lahres Michael; Oliver Lembach; Dipl.-Ing.(FH) Methner Oliver; Dipl.-Ing.(FH) Neufang Oliver
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2011-11-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Bremsscheibe bereit, die einen Bremsscheibengrundkörper (1) mit zumindest einer Reibringoberfläche (2) umfasst, die mit einer thermischen Spritzschicht beschichtet ist. Über die Reibringoberfläche (2) erstreckt sich zumindest eine Vertiefungslinie (3), die zumindest an einer in Bezug auf ihre Basis vertikalen Wandung einen Hinterschnitt aufweist. Die hinterschnittene Vertiefungslinie (3) stellt einen Haftgrund für die thermische Spritzschicht bereit. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung der Bremsscheibe offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe mit einer thermisch spritzbeschichteten Reibringoberfläche sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe.
Aus dem Stand der Technik ist zur Verbesserung der Bauteileigenschaften, bei Bremsscheiben beispielsweise zum Korrosionsschutz und zur Verbesserung der Reib- und Verschleißeigenschaften, bekannt, Bremsscheiben aus Aluminium, Grauguss und ähnlichem mit einer thermischen Beschichtung zu versehen, die beispielsweise mittels Lichtbogendrahtspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgebracht werden. Zu diesem Zweck muss vorab eine Oberflächenaktivierung des Bremsscheibensubstrats stattfinden, die ein gutes Anhaften der thermischen Spritzschicht an der Bremsscheibe ermöglicht. Dies geschieht bislang etwa durch Korundstrahlen oder Hochdruckwasserstrahlen, um die Oberfläche anzurauen. Diese Verfahren sind allerdings kompliziert in der Anwendung, teuer und platzaufwändig, und es besteht dabei die Gefahr, dass etwa Korundpartikel auf der aufgerauten Substratoberfläche verbleiben und in die nachfolgend aufgebrachte Spritzschicht eingelagert werden.
Ferner ist zum mechanischen Aufrauen von Zylinderlaufbahnen in Hubkolbenmotoren aus Aluminium bekannt, ein Ausspindelwerkzeug mit einer Schneidplatte und einer Umformplatte zu verwenden. Dabei wird das Aufrauwerkzeug aus Schneidplatte und Umformplatte schraubenförmig entlang der Zylindermantelfläche der Zylinderlaufbahn geführt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, eine Bremsscheibe mit einer thermischen Spritzbeschichtung mit definierten, verbesserten Hafteigenschaften an der Reibringoberfläche bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Bremsscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Aufgabe der Schaffung eines vergleichsweise kostengünstigen und platzsparenden Herstellungsverfahrens für eine solche Bremsscheibe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Weiterbildungen des Gegenstands und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremsscheibe umfasst einen Bremsscheibengrundkörper, der an zumindest einer Reibringoberfläche mit einer thermischen Spritzschicht beschichtet ist. Zu diesem Zweck ist die Reibringoberfläche mechanisch aufgeraut. Erfindungsgemäß ist eine geometrisch definierte Oberflächenstruktur in die Reibringoberfläche eingebracht, die entsprechende Hafteigenschaften aufweist. Bei dieser geometrisch definierten Oberflächenstruktur handelt es sich um eine oder mehrere Vertiefungslinien, die sich über die Reibringoberfläche erstrecken. Die Vertiefung, die sich als Linie über die Oberfläche des Reibrings erstreckt, weist an zumindest einer in Bezug auf ihre Basis vertikalen Wandung einen Hinterschnitt auf und stellt durch diesen Hinterschnitt einen verbesserten Haftgrund für die thermische Spritzschicht bereit. Durch die Änderung der Aufraugeometrie ist dabei eine gezielte Anpassung der Haft-Zugfestigkeit möglich.
Diese Vertiefungslinie ist besonders vorteilhaft mit einem omegaförmigen Querschnittprofil ausgebildet, das folglich zwei der genannten Hinterschnitte zeigt und damit einen optimalen Haftgrund für die thermische Spritzschicht bildet. Das vorgenannte Profil, das nur einen Hinterschnitt aufweist, ist daher nur an einer Wandung mit der Kontur gestaltet, die ein Omega beschreibt.
Die hinterschnittene Vertiefungslinie kann spiralförmig über die gesamte Reibringoberfläche verlaufen. Es ist aber auch denkbar, dass mehrere Vertiefungslinien vorgesehen sind, die ebenfalls spiralförmig über die Reibringoberfläche verlaufen können, oder die in beispielsweise konzentrisch um den Bremstopf angeordneten, in sich geschlossenen Kreisspuren auf der Reibringoberfläche verlaufen können.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer solchen Bremsscheibe, bei dem die Reibringoberfläche zur Schaffung eines Haftgrunds für die aufzubringende thermische Spritzschicht aufgeraut wird, umfasst daher:

– das Einbringen der zumindest einen ring- oder spiralförmig verlaufenden Vertiefung an der Reibringoberfläche mittels eines spanabhebenden Drehbearbeitungsprozesses unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs,
– das direkt dem Schneidwerkzeug Nachführen eines Umformwerkzeugs und Umformen der die Vertiefungen begrenzenden Oberflächenstrukturen an der Reibringoberfläche, wobei die bezüglich der Reibringoberfläche hinterschnittene Vertiefungslinie gebildet wird, und
– das Aufbringen der thermischen Spritzschicht auf die aufgeraute Reibringoberfläche.

Durch dieses mechanische Aufrauverfahren der Reibringoberfläche ist das Einbringen definierter Oberflächenstrukturen anders als bei den herkömmlichen Korund- oder Hochdruckwasserstrahlverfahren möglich. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber diesen Strahlverfahren kostengünstiger und platzsparender. Ferner werden Bauteilverschmutzungen beziehungsweise Feststoffeinlagerungen durch Korundpartikel vermieden. Vorteilhaft kann der Drehbearbeitungsprozess zur Schaffung der hinterschnittenen Vertiefungslinie(n) in einen bestehenden Drehbearbeitungsprozess integriert werden und beispielsweise an der gleichen Maschine wie ein zuvor stattfindendes Feindrehen der Reibringoberfläche durchgeführt werden, wobei lediglich das Bearbeitungswerkzeug ausgetauscht werden muss.
Zur Durchführung des erfindungsgemäß eingesetzten Drehbearbeitungsprozesses kann der Bremsscheibengrundkörper in eine Drehmaschine eingespannt und in Rotation versetzt werden. Zunächst werden das Schneidwerkzeug und das nachzuführende Umformwerkzeug, je nach Bearbeitungsrichtung, an einem innersten oder einem äußersten Radius der Reibringoberfläche angeordnet, und von dort radial in Bezug auf die Reibringoberfläche nach Außen oder nach Innen geführt. Die Anordnung des kombinierten Schneid- und Umformwerkzeugs kann demzufolge je nach Bearbeitungsrichtung variieren.
Abhängig von der Art der einzubringenden Vertiefungslinie wird dann der Bearbeitungsradius verändert, dies kann zur Bildung der spiralförmigen Vertiefungslinie kontinuierlich oder zur Bildung der konzentrisch kreisförmigen Vertiefungslinien schrittweise erfolgen. Die kontinuierliche Veränderung des Bearbeitungsradius wird durch eine geeignete Vorschubgeschwindigkeit realisiert, bei der schrittweisen Änderung kann das Werkzeug nach erfolgter Bearbeitung jeweils angehoben, um einen vorbestimmten Abstand verschoben und wieder angesetzt werden.
Generell kann der spanabhebende Drehbearbeitungsprozess im Orthogonalschnitt mit einem neutralen Spanwinkel durchgeführt werden.
Die Wahl des Schneidstoffs des Schneidwerkzeugs ist abhängig von dem Werkstoff des Bremsscheibengrundkörpers, für einen Bremsscheibengrundkörper aus Grauguss kann insbesondere kubisch kristallines Bornitrid als Schneidstoff gewählt werden.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren das Abstimmen eines Freiwinkels der Schneide des Schneidwerkzeugs in Abhängigkeit des ersten Bearbeitungsradius und des Endbearbeitungsradius beziehungsweise des innersten und äußersten Radius der Reibringoberfläche umfassen.
Für den Fall eines Bremsscheibengrundkörpers aus Grauguss und der Verwendung von kubisch kristallinem Bornitrid als Schneidstoff kann die Schnittgeschwindigkeit beim Einbringen der Vertiefungen 500 m/min bis 2000 m/min (jeweils ±100 m/min) betragen. Schnittgeschwindigkeiten ober- oder unterhalb dieser Grenzen führen zu übermäßigem Verschleiß. Andere Substratwerkstoffe und andere Schneidstoffe können hiervon abweichende Schnittparameter erfordern.
Generell findet der erfindungsgemäße Aufrauprozess direkt nach einer Schlicht- oder Feindrehbearbeitung der Reibringoberfläche statt.
Durch das mechanische Aufrauen wird so eine optimale, geometrisch definierte Oberflächenstruktur mit den entsprechenden Hafteigenschaften, u. a. mit einer oder mehreren hinterschnittenen Oberflächenvertiefungslinien für die thermische Spritzschicht geschaffen.
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 der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
1 eine vergrößerte Schnittansicht einer in die Reibringoberfläche eingebrachten Vertiefungslinie mit omegaförmigem Querschnitt,
2 eine Querschnittansicht einer Bremsscheibe.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf eine Bremsscheibe aus einem Bremsscheibengrundkörper 1, dessen Reibringoberflächen 2 zur Beschichtung mit einer thermischen Spritzschicht erfindungsgemäß aktiviert sind, wie in 2 dargestellt. Ferner können auch weitere, mit einer Korrosions- oder Verschleißschutzschicht zu versehende Oberflächen 2' des Bremsscheibengrundkörpers 1 aktiviert werden. Die Oberflächenaktivierung wird dabei durch ein mechanisches Aufrauen der Reibringoberfläche 2 erzielt, wobei sich zumindest eine Vertiefungslinie 3, im Schnittbild von 1 zu sehen, über die Reibringoberfläche 2 erstreckt. Die Vertiefungslinie 3 weist ein omegaförmiges Querschnittprofil auf und stellt somit einen Hinterschnitt bereit, der einen Haftgrund für die thermische Spritzschicht darstellt. Grundsätzlich wäre auch denkbar, dass die Vertiefungslinie 3 nur einseitig hinterschnitten ist, sich also nur an einer in Bezug auf ihre Basis vertikalen Wandung einen Hinterschnitt bildend aufweitet.
Die thermischen, beispielsweise mittels Lichtbogendrahtspritzen oder Hochtemperaturflammspritzen auf den Bremsscheibengrundkörper aufgebrachten Beschichtungen, dienen der gezielten Verbesserung der Bauteileigenschaften, unter anderem dem Korrosionsschutz und der Verbesserung von Reib- und Verschleißeigenschaften. Die dem Beschichtungsprozess vorausgehende Oberflächenaktivierung des Substratwerkstoffs, die eine Verklammerung von Substrat und Beschichtungswerkstoff ermöglicht, wird durch das mechanische Aufrauen unter Schaffung einer erfindungsgemäßen, geometrisch definierten Oberflächenstruktur mit optimierten Hafteigenschaften erreicht.
Die hinterschnittene Vertiefungslinie kann dabei nach Art einer Schallplattentonspur (figurativ nicht gezeigt) spiralförmig über die gesamte Reibringoberfläche verlaufen. Es können aber auch mehrere Vertiefungslinien spiralförmig über die gesamte Reibringoberfläche verlaufen, wobei sie sich unter Umständen kreuzen können. Alternativ können mehrere hinterschnittene Vertiefungslinien auch konzentrisch kreisförmig über die gesamte Reibringoberfläche um den Bremstopf verlaufen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Aktivierung der Oberfläche durch den definierten Drehbearbeitungsprozess vorzugsweise im Orthogonalschnitt. Das dazu verwendete Werkzeug besteht in einer Aufrauschneidplatte, nachfolgend auch Dualplatte genannt, die aus einer Schneid- und einer Umformplatte besteht. Diese Dualplatte muss hierfür speziell gestaltet sein, um in Kombination mit den Schnittparametern (Vorschub, Drehgeschwindigkeit und Anstellwinkel) definierte Hinterschnitte in gleich bleibender Qualität zu erzeugen. Vor allem der bei der Orthogonalbearbeitung sich verändernde Radius der Aufraugeometrie in der Bauteiloberfläche erfordert eine Berücksichtigung bei der Gestaltung der Dualplatte und der Wahl geeigneter Schnittparameter. Daher ist die Schneidplattengeometrie mit entsprechendem Freiwinkel zu versehen, die in Abhängigkeit mit dem zu bearbeitenden minimalen (innersten) und maximalen (äußersten) Radius auf dem Reibring der Bremsscheibe abgestimmt wird. Bei Grauguss als Substratwerkstoff muss die Dualplatte grundsätzlich für die Zerspanung von Grauguss geeignet sein. Somit kommt insbesondere kubisch kristallines Bornitrid als Schneidstoff in Frage.
So wird zum Aufrauen der Reibringoberfläche 2, siehe 2, zur Schaffung eines Haftgrunds für die aufzubringende thermische Spritzschicht mittels des spanabhebenden Drehbearbeitungsprozesses durch die Schneidplatte zunächst die ring- oder spiralförmig verlaufende Vertiefung in die Reibringoberfläche 2 eingebracht. Dabei bilden sich neben den Vertiefungen Mikrostrukturen wie Vorsprünge, Rillen, Ausstülpungen oder Ausbuchtungen. Unmittelbar an diesen Schneidvorgang schließt sich ein Umformschritt an, der durch die Umformplatte der Dualplatte durchgeführt wird, an der die Umformplatte und die Schneidplatte fest positioniert sind, so dass die Umformplatte der Schneidplatte nachgeführt wird. Beim Umformen werden diese Mikro-Oberflächenstrukturen an der Reibringoberfläche, die die Vertiefungen begrenzen, derart verformend und/oder brechend nachbearbeitet, dass sich Hinterschnitte 3 in Bezug zu der Reibringoberfläche 2 ausbilden; die Vertiefung sich also in Richtung ihrer Basis von der Oberfläche her kommend aufweitet.
Auf die mittels der definierten Oberflächenstrukturen aktivierte Reibringoberfläche wird dann die thermische Spritzschicht aufgebracht, die sich durch die Hinterschnitte 3 mit dem Bremsscheibengrundkörper 1 mechanisch verklammert und hervorragend haftet.
Zur Durchführung des Drehbearbeitungsprozesses wird der Bremsscheibengrundkörper (nicht gezeigt) in eine Drehmaschine eingespannt, wobei auch eine vorhandene Drehmaschine beispielsweise zum Feindrehen der Bremsscheibe verwendet werden kann. Der Bremsscheibengrundkörper wird in Rotation versetzt und es werden geeignete Schnittgeschwindigkeiten zum Einbringen der Vertiefungen eingestellt. Es wird kubisch kristallines Bornitrid als Schneidstoff verwendet, wenn der Bremsscheibengrundkörper aus Grauguss besteht. Für diesen Fall hat sich Trockenbearbeitung mit einer Schnittgeschwindigkeit von 500 m/min ± 100 m/min bei einer Schnitttiefe von 0,3 mm und einem Vorschub von 0,45 mm als geeignet erwiesen, insbesondere resultiert aus diesen Parametern ein geringer Verschleiß der Dualplatte. Eine Trockenbearbeitung mit einer Schnittgeschwindigkeit von 1.000 m/min ± 100 m/min bei einer Schnitttiefe von 0,3 mm und einem Vorschub von 0,45 mm ist sogar noch besser geeignet, da der Verschleiß der Dualplatte noch geringer ausfällt.
Sinnvoller Weise findet der Bearbeitungsschritt des mechanischen Aufrauens direkt nach der Schlicht- bzw. Feindrehoperation statt. Beim Einsetzen des Aufrauwerkzeugs, bzw. der Dualplatte ist zu beachten, ob die Aufrauung von der Außenseite des Reibrings zur Innenseite stattfindet oder umgekehrt. Die Bearbeitungsrichtung beeinflusst auch die Gestaltung der Dualplattengeometrie beziehungsweise deren Anordnung an der Drehmaschine, da sie der Schneidplatte auf der Dualplatte die Umformplatte nachlaufen muss. Ein Wechsel der Bearbeitungsrichtung erforderte quasi durch ein „Spiegeln” der Dualplattengeometrie. Eine Abweichung der Geometrie kann also durch die Drehmaschine und/oder die Bearbeitungsreihenfolge und/oder die Aufspannsituation beeinflusst werden.
So wird die Dualplatte mit dem Schneidwerkzeug und dem nachzuführenden Umformwerkzeug an einem ersten Bearbeitungsradius der Reibringoberfläche angeordnet, sei es ein innerster oder ein äußerster Radius, und nach außen oder nach innen zu einem Endbearbeitungsradius geführt, der dann entsprechend der äußerste oder der innerste Radius ist. Für die spiralförmig verlaufende(n) Vertiefungslinie(n) wird der Bearbeitungsradius kontinuierlich durch einen definierten Vorschub der Dualplatte verändert, während der Bearbeitungsradius zur Bildung der konzentrisch kreisförmigen Vertiefungslinien schrittweise jeweils um einen vorbestimmten Abstand verändert wird.
Schließlich ist es denkbar, dass das Aufrauwerkzeug nicht nur eine Dualplatte aufweist, sondern zur gleichzeitigen Schaffung mehrerer hinterschnittener Vertiefungen zumindest zwei oder noch mehr nebeneinander angeordnete Dualplatten aufweist, um etwa die Bearbeitungszeit zu verkürzen.
So ist es beispielsweise zur Bildung der konzentrisch kreisförmigen Vertiefungslinien denkbar, ein kammartiges Aufrauwerkzeug zu verwenden und so gleichzeitig vorteilhaft mehrere der erfindungsgemäßen Vertiefungslinien zu schaffen, die einen verbesserten Haftgrund für die aufzubringende thermische Spritzschicht bieten. Damit wird die so ausgebildete Bremsscheibe hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und Lebensdauer verbessert.

Claims

Bremsscheibe, umfassend einen Bremsscheibengrundkörper (1) mit zumindest einer Reibringoberfläche (2), die mit einer thermischen Spritzschicht beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich über die Reibringoberfläche (2) zumindest eine Vertiefungslinie (3) erstreckt, die zumindest an einer in Bezug auf ihre Basis vertikalen Wandung einen Hinterschnitt aufweist, wobei die hinterschnittene Vertiefungslinie (3) einen Haftgrund für die thermische Spritzschicht bereitstellt.
Bremsscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine hinterschnittene Vertiefungslinie (3) spiralförmig über die gesamte Reibringoberfläche (2) verläuft oder dass mehrere hinterschnittene Vertiefungslinien (3) spiralförmig oder konzentrisch kreisförmig über die gesamte Reibringoberfläche (2) verlaufen.
Bremsscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hinterschnittene Vertiefungslinie (3) an beiden in Bezug auf ihre Basis vertikalen Wandungen einen Hinterschnitt aufweist, wobei ein omegaförmiges Querschnittprofil der Vertiefungslinie (3) ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, unter Aufrauen der Reibringoberfläche (2) zur Schaffung eines Haftgrunds für die aufzubringende thermische Spritzschicht, umfassend die Schritte: – Einbringen zumindest einer ring- oder spiralförmig verlaufenden Vertiefung an der Reibringoberfläche (2) mittels eines spanabhebenden Drehbearbeitungsprozesses unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs, – direkt dem Schneidwerkzeug Nachführen eines Umformwerkzeugs und Umformen der die Vertiefungen begrenzenden Oberflächenstrukturen an der Reibringoberfläche (2), dabei Bilden der zumindest einen hinterschnittenen Vertiefungslinie (3), – Aufbringen der thermischen Spritzschicht auf die aufgeraute Reibringoberfläche (2).
Verfahren nach Anspruch 4, umfassend die Schritte: – Einspannen des Bremsscheibengrundkörpers (1) in eine Drehmaschine und in Rotation Versetzen des Bremsscheibengrundkörpers (1), – Anordnen des Schneidwerkzeugs und des nachzuführenden Umformwerkzeugs an einem ersten Bearbeitungsradius der Reibringoberfläche (2), der ein innerster oder ein äußerster Radius der Reibringoberfläche (2) ist, und Führen des Schneidwerkzeugs von dem ersten Bearbeitungsradius radial in Bezug auf die Reibringoberfläche (2) nach Außen oder nach Innen zu einem Endbearbeitungsradius.
Verfahren nach Anspruch 5, umfassend die Schritte: – kontinuierlich Verändern des Bearbeitungsradius zur Bildung der spiralförmigen Vertiefungslinie (3) oder – schrittweise Verändern des Bearbeitungsradius jeweils um einen vorbestimmten Abstand zur Bildung der konzentrisch kreisförmigen Vertiefungslinien (3).
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, umfassend den Schritt: – Durchführen des spanabhebenden Drehbearbeitungsprozesses im Orthogonalschnitt mit einem neutralen Spanwinkel.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei ein Schneidstoff des Schneidwerkzeugs abhängig von einem Werkstoff des Bremsscheibengrundkörpers (1) ist, wobei für einen Bremsscheibengrundkörper (1) aus Grauguss insbesondere kubisch kristallines Bornitrid als Schneidstoff gewählt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, umfassend den Schritt: – Abstimmen eines Freiwinkels einer Schneide des Schneidwerkzeugs in Abhängigkeit des ersten Bearbeitungsradius und des Endbearbeitungsradius.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei eine Schnittgeschwindigkeit beim Einbringen der Vertiefungen mindestens 500 m/min ± 100 m/min beträgt, wobei das Schneidwerkzeug kubisch kristallines Bornitrid als Schneidstoff umfasst und der Bremsscheibengrundkörper (1) aus Grauguss besteht und/oder wobei vor dem Aufrauen Schlichten oder Feindrehen der Reibringoberfläche erfolgt.