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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufrauen von metallischen Oberflächen zur Haftverbesserung von hierauf thermisch aufgespritzten oder aufgegossenen Schichten nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einer zur Haftverbesserung von hierauf thermisch aufgespritzten oder aufgegossenen Schichten vorbereiteten Oberfläche nach der im Oberbegriff von Anspruch 7 näher definierten Art. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem geeignete Werkzeuge zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bzw. zur Herstellung eines solchen Bauteils nach der in den Oberbegriffen der Ansprüche 9 und 10 näher definierten Art.
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Verfahren zum Aufrauen von metallischen Oberflächen zur Verbesserung der Haftung von hierauf thermisch aufgespritzten oder aufgegossenen Schichten sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden insbesondere im Bereich von Lageraugen und/oder Zylinderbohrungen im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Sie dienen dazu, den zum Verschleißschutz und zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften aufgebrachten Schichten, welche beispielsweise thermisch aufgespritzt oder aufgegossen sind, eine bessere Haftung mit der darunter liegenden metallischen Oberfläche zu ermöglichen.
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Ein entsprechendes Verfahren zur Oberflächenkonditionierung ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 004 769 A1 bekannt. Dieses Verfahren sowie auch weitere Verfahren im Stand der Technik nutzen dabei einen zweistufigen Prozess, bei dem zuerst eine materialabhebende Behandlung der Oberfläche erfolgt, um diese entsprechend aufzurauen. Anschließend erfolgt ein Verformen bzw. Umformen dieser entsprechend vorbehandelten Oberfläche, um hierdurch in dem Bereich, in dem zuvor das Material abgetragen worden ist, Hinterschnitte gegenüber der Oberfläche zu schaffen, um so die Haftung der thermisch aufgespritzten oder aufgegossenen Schicht entsprechend zu verbessern. Verschiedene Möglichkeiten zur mechanischen Nachbearbeitung, oder auch zur Nachbearbeitung mittels Laser sind aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik bekannt.
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All diese Verfahren haben dabei das Problem, dass die Entstehung der Hinterschnitte vergleichsweise zufällig ist. Hierdurch lässt sich keine all zu hohe Prozesssicherheit bei der Herstellung der Hinterschnitte gewährleisten, wodurch die sichere Anhaftung der aufgebrachten Schicht nicht in allen Bereichen gewährleistet ist. Die optimale Haftung kann nicht über den gesamten Bereich hinweg prozesssicher garantiert werden.
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Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Ausrichtung der Strukturen und insbesondere der Hinterschnitte bei dem Bearbeitungsprozess häufig durch ein eher zufälliges Umformen und Brechen einzelner Grate erzielt wird, wodurch eine gezielte Ausrichtung der Strukturen und insbesondere der Hinterschnitte im Allgemeinen nicht möglich ist. Auch dies schränkt die Prozesssicherheit bei der Gewährleistung einer optimalen Anhaftung der aufgebrachten Schicht ein.
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Eine weitere Problematik liegt in dem Verfahren selbst. Dieses ist vergleichsweise aufwändig, da es mehrere Bearbeitungsschritte erfordert, welche nacheinander erfolgen müssen. Hierdurch wird eine aufwändige und lange Bearbeitung notwendig, mit den hierfür bekannten Nachteilen von erhöhten Bearbeitungszeiten, der Notwendigkeit mehrerer Bearbeitungsstationen sowie der damit verbundenen Kosten.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren bzw. ein Bauteil und/oder ein Werkzeug anzugeben, welches eine einfache, zuverlässige und schnelle Bearbeitung gewährleistet und welches darüber hinaus eine sehr hohe Prozesssicherheit hinsichtlich der Anhaftung der thermisch aufgespritzten oder aufgegossen Schicht auf der vorbereiteten Oberfläche ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem löst ein Bauteil mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7 die Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweils unabhängigen Unteransprüchen. Die Aufgabe wird außerdem durch eine Räumnadel mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 9 bzw. eine Vorrichtung zum Drahterodieren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufrauen von metallischen Oberflächen zur Haftverbesserung nutzt eine materialabtragende Behandlung der Oberfläche. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es dabei so, dass durch die materialabtragende Behandlung Strukturen mit im Wesentlichen orthogonalem Verlauf zur voraussichtlichen Belastungsrichtung hergestellt werden, und dass diese Strukturen mit Hinterschnitten bezüglich der Oberfläche erzeugt werden. Über die materialabtragende Bearbeitung wird also nicht nur ein Aufrauen in der Art einer Vorbearbeitung – wie im Stand der Technik – durchgeführt, sondern es wird die gesamte Struktur samt ihren Hinterschnitten durch diese materialabtragende Bearbeitung hergestellt. Die Bearbeitung erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so, dass die Strukturen einen Verlauf aufweisen, welcher im Wesentlichen orthogonal zur voraussichtlichen Belastungsrichtung ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich mit einem einfachen Verfahren eine sehr kontinuierliche und prozesssichere Darstellung der Strukturen erzielen. Durch die Herstellung der Hinterschnitte mittels der materialabtragenden Behandlung wird eine definierte Geometrie erzielt, welche sich insbesondere über die gesamte Länge der einzelnen Strukturen erstreckt und bevorzugt über die gesamte Länge gleich ausgebildet ist. Hierdurch wird einerseits eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet und andererseits liegen optimale Bedingungen zur späteren Anhaftung einer thermisch aufgespritzten oder aufgegossenen Schicht auf einer so vorbereiteten Oberfläche vor.
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In einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass die materialabtragende Behandlung die Strukturen samt der Hinterschnitte in einem einzigen Bearbeitungsschritt erzeugt. Hierdurch wird ein sehr schnelles und kostengünstiges Verfahren möglich, welches auf einer einzigen Bearbeitungsmaschine in einem einzigen Prozessschritt sicher und zuverlässig durchgeführt werden kann.
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In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem vorgesehen, dass als materialabhebende Behandlung Drahterodieren eingesetzt wird. Über ein solches Drahterodieren lassen sich die Strukturen samt der Hinterschnitte sehr effizient mit exakt definierten, annähernd beliebigen Formen der Hinterschnitte in das metallische Material der Oberfläche einbringen.
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In einer günstigen Weiterbildung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass die vorzugsweise parallel verlaufenden Strukturen über mehrere Drähte gleichzeitig eingebracht werden. Ein solches Drahterodieren mit mehreren Drähten gleichzeitig, wobei diese Drähte parallel die einzelnen nebeneinanderliegenden Strukturen herstellen, ist hinsichtlich der Prozesszeit zur Herstellung der Strukturen sehr günstig und ermöglicht zusammen mit den Vorteilen des Drahterodierens und der damit verbundenen sehr großen Freiheit bei der geometrischen Ausgestaltung der Strukturen und der Hinterschnitte eine sehr kurze Bearbeitungszeit.
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In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es auch vorgesehen sein, dass als materialabhebende Behandlung Räumen eingesetzt wird. Über ein solches Räumen können bei geeigneter Ausgestaltung des entsprechenden Räumwerkzeugs bzw. der so genannten Räumnadel sehr einfach und effizient in einem einzigen Arbeitsgang durch das Durchziehen der typischerweise mit mehreren in Bearbeitungsrichtung hintereinanderliegenden Schneiden versehenen Räumnadel die gewünschten Strukturen samt der Hinterschnitte erzeugt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Bauteil, welches insbesondere über das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich ist, weist zur Verbesserung der Haftung einer thermisch aufgespritzten oder aufgegossenen Schicht eine Strukturierung der Oberfläche mit im Wesentlichen orthogonal zur voraussichtlichen Belastungsrichtung verlaufenden Strukturen auf, wobei die Strukturen jeweils Hinterschnitte bezüglich der Oberfläche aufweisen. In einem solchen Bauteil wird, wie bereits beim Verfahren erläutert, eine sehr gute prozesssichere zuverlässige Anhaftung der aufgespritzten oder aufgegossenen Schicht gewährleistet.
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In einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauteils ist es dabei vorgesehen, dass die Hinterschnitte über die gesamte Länge jeder einzelnen Struktur, insbesondere homogen, ausgebildet sind. Solche geometrisch variierende oder insbesondere homogen über die gesamte Länge der Struktur ausgebildeten Hinterschnitte gewährleisten eine definierte Geometrie und Größe der Hinterschnitte und ermöglichen so eine sehr exakte Vorausberechnung der Anhaftung der aufgespritzten oder aufgegossenen Schicht. Das Bauteil kann also sicher und zuverlässig mit der Schicht versehen werden, ohne dass aufgrund von Unsicherheiten in der Bearbeitung des Bauteils mit Problemen hinsichtlich der Anhaftung der Schicht zu rechnen ist.
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Entsprechende Bauteile können dabei beispielsweise Pleuelstangen sein, welche die zur Haftverbesserung vorbereitete Oberfläche im Bereich eines Pleuelauges aufweist. Insbesondere bei Pleuelaugen ist es überwiegend so, dass diese bisher Mehrschichtlager in Form von Gleitlagerhalbschalen aufweisen, welche beim Montieren des Pleuels nach dem sogenannten Cracken des Pleuels im Bereich des Lagerauges in den Bereich des Lagerauges eingebracht werden. Die Lagerschalen stellen dabei nicht nur einen materiellen Kostenfaktor dar, sondern bergen auch ein gewisses Fehlerpotenzial innerhalb des Montageprozesses. Auch stellt die Transportlogistik, die Fertigung und die Handhabung dieser Lagerhalbschalen einen nicht zu vernachlässigenden Aufwand dar. Wenn das Pleuel nun als erfindungsgemäßes Bauteil ausgebildet wird, kann eine entsprechende Bearbeitung des Pleuelauges zur Vorbereitung der Oberfläche auf eine spätere thermisch aufgespritzte oder aufgegossene Schicht, insbesondere als Lagerschicht, erfolgen und die genannten Lagerhalbschalen können eingespart werden.
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Eine erfindungsgemäße Räumnadel mit in an sich bekannter Art und Weise in axialer Richtung aufeinanderfolgenden Schneiden, welche jeweils eine Mehrzahl von Zähnen aufweisen, ist erfindungsgemäß so ausgebildet, dass die Zähne zumindest in der in Bearbeitungsrichtung letzten Schneide ein Positivbild der zu erzeugenden Strukturen mit Hinterschnitten darstellen. Die Strukturen mit den Hinterschnitten, welche insbesondere parallel zueinander verlaufen, können so beispielsweise in eine Bohrung durch die erfindungsgemäß ausgestaltete Räumnadel in einem einzigen Arbeitsschritt eingebracht werden. Hierdurch wird eine sichere und zuverlässige Formgebung mit minimalem Aufwand hinsichtlich des Verfahrensablaufs und der Prozesszeiten gewährleistet.
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Ein alternatives Werkzeug hierzu bildet eine Vorrichtung zum Drahterodieren mit wenigstens einem Draht, welcher gesteuert relativ zu einer zu bearbeitenden Oberfläche bewegbar ist. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass mehrere Drähte parallel zur gleichzeitigen Bearbeitung der Oberfläche vorgesehen sind. Durch eine solche Vorrichtung zum Drahterodieren mit mehreren parallel verlaufenden Drähten, welche alle gleichzeitig relativ gegenüber der zu bearbeitenden Oberfläche gesteuert bewegt werden können, kann sehr effizient und schnell eine Bearbeitung der gesamten oder eines großen Teils der Oberfläche vorgenommen werden. Wenn die Oberfläche flächig ausgebildet ist, liegen die Drähte im Querschnitt dabei im Wesentlichen auf einer geraden Linie. Ist die Oberfläche beispielsweise gerundet ausgebildet, insbesondere als Bohrung, dann liegen die parallel angeordneten Drähte dementsprechend auf einer Kreisbahn, wobei auch diese Anordnung unter „parallel” im Sinne der hier vorliegenden Erfindung verstanden werden soll.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens des Bauteils und der Werkzeuge ergeben sich außerdem aus den restlichen abhängigen Patentansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 ein Pleuel in einer dreidimensionalen Ansicht als ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils;
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2 das Detail II in 1 in einer vergrößerten Darstellung;
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3 eine Prinzipdarstellung des Herstellungsverfahrens in einem Querschnitt zur Erläuterung der Funktion;
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4 eine Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für das Bauteil gemäß 1;
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5 eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für das Bauteil gemäß 1;
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6 das Detail VI in 5 in vergrößerter Darstellung;
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7 einen Querschnitt durch das Bauteil gemäß 1 mit aufgebrachter Schicht; und
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8 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts VIII in 7.
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In der Darstellung der 1 ist in einer dreidimensionalen Ansicht ein Pleuel 1 als beispielhaftes Bauteil gemäß der Erfindung dargestellt. Die Erfindung kann selbstverständlich auch für andere Bauteile entsprechend eingesetzt werden. Das hier und in den nachfolgenden Figuren beschriebene Pleuel 1 ist rein beispielhaft als eine bevorzugte Anwendung zu verstehen, eine weitere bevorzugte Anwendung könnte insbesondere im Bereich der Beschichtung von Zylinderbohrungen in Zylinderköpfen von Brennkraftmaschinen liegen. Es sind jedoch auch andere Anwendungen denkbar.
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Das Pleuel 1 weist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein Pleuelauge 2 auf, welches an seiner Oberfläche 3 mit beispielhaften Strukturen 4 versehen ist. Diese beispielhaften Strukturen 4 sind dabei in der vergrößerten Darstellung der 2 besser zu erkennen. Die beispielhaften Strukturen 4 sind hier im Wesentlichen als parallel in axialer Richtung auf der Oberfläche 3 des Pleuelauges 2 verlaufende Riefen bzw. Nuten ausgebildet. In der Darstellung der 2 ist lediglich eine dieser Nuten 4 mit einem Bezugszeichen versehen. Jede dieser Nuten 4 weist an ihrem den benachbarten Nuten zugewandten Teil Hinterschnitte 5 auf, welche eine sichere und zuverlässige formschlüssige Anhaftung einer später auf die Oberfläche 3 aufgebrachten Schicht 6, welche in der Darstellung der 7 und 8 zu erkennen ist, gewährleistet. Die Hinterschnitte 5 müssen nicht zwingend beidseitig ausgeführt werden. Auch eine einseitige Ausführung, ähnlich dem rechten Teil in 3, ist denkbar.
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Die Hinterschnitte 5 verlaufen gemäß diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt definiert über die gesamte Länge der Strukturen 4 homogen. Hierdurch wird eine maximale in radialer Richtung durch das Material der Hinterschnitte 5 überdeckte Fläche an einem radial außenliegenden Nutgrund der Nuten 4 erzielt, wodurch eine sehr gute formschlüssige Anhaftung der später aufgebrachten Schicht 6 gewährleistet werden kann.
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Zum Einbringen dieser Strukturen bzw. Nuten 4 in das Material des Pleuels 1 im Bereich der Oberfläche 3 des Pleuelauges 2 kann nun beispielsweise ein Drahterodieren als materialabtragende Behandlung bzw. Bearbeitung der Oberfläche 3 eingesetzt werden. In der prinzipmäßigen Schnittdarstellung der 3 ist im Querschnitt ein Draht 7 zu erkennen, wobei die in der Darstellung der 3 links abgebildete Struktur bereits fertig hergestellt ist, während parallel daneben durch den Draht 7 eine neue Struktur 4 in der gleichen geometrischen Ausgestaltung gerade entsteht, wozu durch den Draht 7 ein erster Schnitt in der Darstellung der 3 von rechts oben nach links unten eingebracht worden ist. In der Folge des Verfahrens wird sich der Draht 7 im rechten Teil der Darstellung der 3 von links nach rechts und dann wieder nach links oben bewegen, um eine vergleichbare geometrische Struktur wie auf der linken Seite in der Darstellung der 3 zu erzeugen.
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Beim Drahterodieren wird zwischen dem Draht 7 bzw. Schneiddraht und dem Werkstück bzw. dem Bauteil, hier also der Pleuelstange 1, in an sich bekannter Art und Weise eine elektrische Spannung angelegt. Zwischen dem Draht 7, welcher gemäß der Darstellung in 3 durch das Material des Pleuels 1 geführt wird, und dem Pleuel 1 selbst befindet sich dann ein Dielektrikum. Durch das Spannungsgefälle bildet sich ein elektrisches Feld aus, wodurch Funken entstehen, welche schließlich zum Verdampfen des Dielektrikums führen. Die Dampfblase wächst dann solange an, bis ihre weitere Expansion durch das Pleuel 1 und die aus dem Draht 7 ausgebildete Elektrode eingegrenzt wird. Bei der nachfolgenden Implosion der Blase kommt es dann in an sich bekannter Weise zu einem Materialabtrag an dem Pleuel 1.
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Über das Drahterodieren kann dabei in leicht steuerbarer Art und Weise durch das Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Draht 7 und der Oberfläche 3 des Pleuelauges 2 eine sehr definierte Struktur der Oberfläche 3 mit entsprechend hoher Genauigkeit und einer feinen Auflösung der Struktur 4 und der geometrischen Abmessungen erzielt werden. Diese sehr hohe Flexibilität bei der Herstellung der Strukturen 4 durch Drahterodieren hat dabei im Allgemeinen eine etwas längere Bearbeitungsdauer zur Folge. Um diese entsprechend zu reduzieren kann es deshalb vorgesehen sein, mehrere Drähte 7 zur Herstellung der Strukturen 4 parallel bzw. nebeneinander gleichzeitig einzusetzen, sodass beispielsweise beim Vorhandensein eines Drahtes 7 für jede der eingebrachten Strukturen 4 die Bearbeitungszeit auf die Bearbeitungszeit für eine einzige Struktur 4 reduziert werden kann. In der Darstellung der 4 ist dies beispielhaft durch eine Darstellung der entsprechenden Bearbeitung mit einer Mehrzahl von parallelen Drähten 7 entsprechend angedeutet.
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In der Darstellung der 5 ist ein alternatives Herstellungsverfahren für die Strukturen 4 in der Oberfläche 3 des Pleuelauges 2 des Pleuels 1 zu erkennen. Bei diesem Verfahren wird anstelle des Drahterodierens ein Räumverfahren genutzt. Als Werkzeug dient eine sogenannte Räumnadel 8, welche in ihrer axialen Richtung gemäß dem mit 9 bezeichneten Pfeil zur Bearbeitung durch das Pleuelauge 2 gezogen wird. Die Räumnadel 8 weist dabei in an sich bekannter Art und Weise mehrere in der axialen Richtung bzw. Bearbeitungsrichtung 9 hintereinanderliegende Schneiden 10 auf. Jede dieser Schneiden 10 weist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel, und wie es in der vergrößerten Darstellung der 6 besser zu erkennen ist, eine Mehrzahl von einzelnen Zähnen 11 auf, welche in Bearbeitungsrichtung immer detaillierter ausgeführt sind, wobei zumindest die in Bearbeitungsrichtung letzte Schneide 10 mit ihren Zähnen 11 so ausgebildet ist, dass diese ein positives Abbild der Strukturen 4 samt der Hinterschnitte 5 darstellen und beim Ziehen der Räumnadel 8 durch das Pleuelauge 5 ein entsprechendes negatives Abbild in der Oberfläche 3 des Pleuelauges 2 hinterlassen. Die so entstehenden Strukturen 4 der Oberfläche 3 entsprechen dann den in 1 und 2 gezeigten Strukturen.
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Das Einbringen der Strukturen 4 in die Oberfläche 3 dient der Vorbereitung der Aufnahme einer Schicht 6, welche beispielsweise durch Aufgießen oder durch thermisches Spritzen, insbesondere Flammspritzen, Plasmaspritzen, Kaltgasspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen, auf die Oberfläche 3 aufgebracht wird. Die so aufgebrachte Schicht 6 findet ihre Anbindung an dem metallischen Substratwerkstoff des Pleuels 1 dann über eine mechanische Verklammerung, also im Wesentlichen eine formschlüssige Verbindung, welche durch die über die entlang der gesamten Strukturen 4 verlaufenden Hinterschnitte 5 in idealer Weise über eine sehr große Fläche der Oberfläche 3 hinweg in zuverlässig definierter Art und Weise gewährleistet sind. Die Anhaftung der Schicht 6 ist damit sehr gut. Dementsprechend ist eine hohe mechanische Belastung der Schicht 6 möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006004769 A1 [0003]
